二维超导量子比特中毫秒级的寿命和相干时间

材料改进是降低超导量子比特损耗与退相干的有效方法，因为这类改进易于应用到大规模处理器中。近期研究通过采用钽作为基层、蓝宝石作为衬底，提升了transmon量子比特的相干性，但这类器件的损耗主要来自表面和体介电材料的二能级系统，这表明要实现技术突破需同时解决这两方面问题。本研究中，我们用高阻硅替代原有衬底，显著降低了衬底的体损耗，成功制备出45个二维transmon量子比特，其时间平均品质因数（Q_avg）达9.7×10⁶。其中性能最优的量子比特Q_avg为1.5×10⁷，最大Q值达2.5×10⁷，对应的寿命（T₁）最长可达1.68毫秒。这种低损耗特性还让我们能够观测到与约瑟夫森结相关的退相干效应，并且通过改进的低污染结沉积工艺，实现了哈恩回波相干时间（T₂E）超过T₁的结果。这些材料改进无需对量子比特结构做任何调整，因此可以轻松集成标准量子控制门。我们展示的单量子比特门保真度达到99.994%。这种钽-硅平台由简单的材料堆叠构成，有望实现晶圆级制造，从而易于推广应用到大规模量子处理器中。