Die rasante Entwicklung im Bereich des Quantencomputings stellt eine der vielversprechendsten technologischen Revolutionen der Gegenwart dar. Im Zentrum dieses Fortschritts stehen Qubits, die quantenmechanischen Bausteine, die wesentlich komplexere Rechenoperationen ermöglichen als klassische Bits. Supraleitende Qubits, insbesondere solche, die aus dünnen Tantalfilmschichten auf Saphirsubstraten hergestellt werden, gehören zu den führenden Kandidaten für den Bau leistungsfähiger Quantenprozessoren. Dennoch stellt die Optimierung ihrer Leistung eine komplexe Herausforderung dar, die tiefes Verständnis der Materialeigenschaften erfordert. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des US-Energieministeriums (DOE) konnten kürzlich eine bisher verborgene metallische Schnittstellenlage zwischen dem Tantalfilm und dem darunterliegenden Saphirsubstrat nachweisen, die sich als entscheidend für die Leistung dieser Qubits erweist.
Diese überraschende Entdeckung bietet neue Perspektiven für die Erhöhung der Kohärenzzeiten – also der Zeit, in der ein Qubit seinen quantenmechanischen Zustand bewahren kann – und somit für die Steigerung der Leistungsfähigkeit von Quantencomputern. Das Forschungsteam am Brookhaven National Laboratory und dem Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) arbeitete als Teil des Co-design Centers for Quantum Advantage (C2QA), einem DOE-Netzwerk, das sich der Beschleunigung des Fortschritts im Quantenrechnen widmet, an diesem wegweisenden Projekt. Die Zusammenarbeit kombinierte modernste experimentelle Techniken mit computergestützten Simulationen, um die Feinstruktur an der Schnittstelle zwischen dem metallischen Tantalfilm und dem Saphirsubstrat detailliert zu untersuchen. Überraschenderweise zeigte sich, dass zwischen den beiden Schichten eine komplexe, atomar dünne Zwischenlage existiert, welche erheblichen Einfluss auf die Orientierung der Tantalatome und damit auf die elektronischen Eigenschaften des Films und letztlich auf die Leistung der Qubits hat. Bislang war vor allem bekannt, dass die äußere Oxidschicht, die durch die Reaktion von Tantal mit Luftsauerstoff entsteht, eine negative Wirkung auf die Kohärenzzeit der Qubits ausübt.
Die neue Forschung richtete den Blick jedoch auf die „verborgene“ Metall-Substrat-Schnittstelle, die durch ihre atomare Zusammensetzung und Struktur eine bislang unterschätzte Rolle spielt. Die Kombination aus hochauflösender Rastertransmissionselektronenmikroskopie (STEM) und Elektronen-Energieverlustspektroskopie (EELS) erlaubte es, diese auf wenigen Nanometern dünne Zwischenschicht direkt sichtbar zu machen und ihre atomare Zusammensetzung aus Tantal, Aluminium und Sauerstoff zu entschlüsseln. Darüber hinaus kamen an der National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) vielseitige Röntgenstreuungs- und Spektroskopiemethoden zum Einsatz, die ergänzende Informationen über die Dichte und chemische Beschaffenheit der Schichten lieferten. Besonders bedeutsam waren dabei die dünneren Proben mit rund 30 Nanometern Dicke, welche eine bislang nicht realisierbare Einsicht in die Feinstruktur von Quantenmaterialien erlaubten. Im Vergleich zu den üblichen 150 bis 200 Nanometern dicken Qubitfilmen eröffneten diese Proben neue Dimensionen in der Materialanalyse.
Parallel dazu unterstützten theoretische Arbeiten durch Computermodelle von PNNL das Verständnis der Wechselbeziehungen an der Schnittstelle. Die Simulationen zeigten auf überzeugende Weise, dass die Konzentration von Sauerstoffatomen auf der Oberfläche des Saphirsubstrats die Kristallorientierung des Tantalfilms beeinflusst. Dies hat wiederum entscheidende Auswirkungen auf die Qualität und den Zusammenhalt der supraleitenden Schicht sowie die Funktionsweise des Qubits. Ein hoher Sauerstoffgehalt begünstigt demnach eine andere Ausrichtung der Tantalatome als ein niedriger Gehalt, was teilweise auch gemischte Strukturen erklären kann, die zuvor experimentell beobachtet wurden. Diese Erkenntnis fordert die Quantenforschung heraus, da sie den Weg zu einer optimierten Qubit-Fertigung mit gezielter Steuerung der Substrat-Oberflächenchemie weisen könnte.
Das gezielte Regulieren der Sauerstoffkonzentration während der Materialpräparation eröffnet Möglichkeiten, den Tantalfilm mit einer bevorzugten atomaren Ausrichtung zu erzeugen, die möglicherweise die Kohärenzzeit signifikant verlängert. Dies ist besonders wichtig, da Kohärenzzeiten bisher eine der größten Hürden beim Bau praktischer Quantencomputer darstellen. Das Zusammenspiel von experimentellen Analysen und theoretischen Vorhersagen sticht als Beispiel für moderne Materialwissenschaft heraus. Besonders hervorzuheben ist die internationale und interdisziplinäre Kooperation, die als Voraussetzung für solch tiefgehende Erkenntnisse gilt. Die Verbindung von Forschungszentren an der Ost- und Westküste der Vereinigten Staaten sowie der Austausch zwischen experimentell arbeitenden Physikern und theoretischen Materialwissenschaftlern zeigt, wie komplex die Herausforderungen in der Quanteninformatik sind und wie vielschichtig ihre Lösungen gestaltet sein müssen.
Aktuelle und zukünftige Untersuchungen setzen nun an, um gezielt die Auswirkungen der verschiedenen Tantalorientierungen auf die Qubitperformance zu erforschen. Ebenso werden Wege erprobt, die Bildung der unerwünschten Oxidschichten zu verhindern oder zu kontrollieren, um so die übergreifende Stabilität und Langlebigkeit der Qubits zu verbessern. Erste Ansätze zur Beschichtung der Tantalfilme zeigten bereits Potenzial, Oxidation zu minimieren. Die praktische Bedeutung der Untersuchung besteht darin, dass mit fortschreitender Optimierung der supraleitenden Materialien und der damit verbundenen Fertigungsverfahren nicht nur die Größe der Qubits reduziert werden kann, sondern auch ihre Effizienz deutlich steigt. Kleinere und leistungsfähigere Qubits sind ein bedeutender Schritt auf dem Weg zu skalierbaren Quantenprozessoren, die in der Lage sind, komplexe Probleme jenseits der Kapazität klassischer Hochleistungscomputer zu lösen.
Zusammenfassend markiert die Entdeckung der verborgenen Metall-Substrat-Schnittstelle einen wichtigen Meilenstein in der Quantenmaterialforschung. Sie legt den Grundstein für eine zielgerichtete Materialgestaltung im Hochleistungsquantencomputing und unterstreicht das enge Zusammenspiel von experimenteller Präzision und theoretischem Modellverständnis. Angesichts der globalen Bemühungen, Quantencomputing technologisch und wirtschaftlich nutzbar zu machen, ist diese Arbeit von enormer Relevanz. Die Erkenntnisse tragen dazu bei, den Traum leistungsfähiger Quantencomputer näher zu realisieren und könnten in den kommenden Jahren wegweisend für neue Generationen von Quantenprozessoren sein.
