《Nature Communications》：Localized quasiparticles in a fluxonium with quasi-two-dimensional amorphous kinetic inductors
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本研究聚焦于利用具有高动感电感和无序特性的准二维非晶钨硅化物薄膜来构建量子电路元件。为探索其在相干器件应用中损耗增加的根源，研究人员将其制备成微波谐振器和通量量子位（fluxonium qubit）的感应部件，并系统研究了损耗与频率、无序程度及器件几何结构的关系。结果表明，损耗主要由被囚禁于超导能隙空间涨落中的局域准粒子（localized quasiparticles）主导，这一发现为理解并抑制高阻抗量子电路中的能量损耗机制提供了关键见解。
在量子计算这场激动人心的科技竞赛中，超导量子比特是当前最主流的“选手”之一。然而，要让这些微观的量子态稳定地执行计算任务，科学家们面临着巨大的挑战：如何构建更非线性、更高阻抗的量子电路环境，同时尽可能地降低能量损耗，保护脆弱的量子信息？传统的超导材料在追求极致性能的道路上已接近极限。于是，研究人员将目光投向了另一类材料——无序超导材料。这类材料内部原子排列杂乱无章，如同微观世界的“迷宫”，这种无序性恰恰能赋予它们极高的动感电感（kinetic inductance），是制造非线性电路元件的宝贵资源。尤其是将其制成极薄的准二维（quasi-two-dimensional）薄膜时，无序性和低维效应联手，能显著增强超导序参量的波动，进一步推高动感电感值。梦想很美好，但现实很骨感。这类材料有两个令人头疼的“阿喀琉斯之踵”：一是它们往往处于超导-绝缘体相变（superconductor-insulator phase transition）的边缘，状态不稳定；二是其无序结构中充斥着大量两能级系统（two-level systems），这些都是潜在的量子噪声和能量损耗源。究竟能不能驾驭这些特性鲜明但又“脾气”古怪的材料，将其成功集成到高性能的量子比特中呢？损耗的物理根源又是什么？这成为了领域内亟待解决的关键问题。
为了回答这些问题，一个研究团队开展了一项深入的研究。他们选择钨硅化物（tungsten silicide）作为研究对象，将其制备成准二维的非晶薄膜导线，并巧妙地将其作为核心感应部件，分别嵌入到微波谐振器（microwave resonator）和一种名为通量量子位（fluxonium qubit）的超导量子比特中。在这项工作中，他们系统性地探索了器件损耗与其工作频率、材料无序程度以及器件几何结构之间的依赖关系。研究成果以论文形式发表在了国际知名期刊《Nature Communications》上。
本研究主要运用了以下几项关键技术：利用准二维非晶薄膜制备技术制作了钨硅化物导线；通过微纳加工工艺将这些高动感电感导线集成到平面微波谐振器和通量量子位电路中；采用低温微波测量系统对器件的电磁响应与能量损耗进行精确表征；通过调控薄膜的沉积与后退火工艺参数，实现对材料无序程度的定量调节；结合理论模型，对实验测得的损耗频谱进行分析，以甄别不同损耗机制的贡献。
研究结果
器件制备与表征
研究人员成功制备了基于准二维非晶钨硅化物薄膜的导线，并将其作为电感元件集成到微波谐振器和通量量子位中。通过测量谐振器的品质因数（quality factor）和通量量子位的能量弛豫时间，对器件的微波性能与损耗进行了基础表征。
损耗与频率、无序度的关系
通过系统实验，团队发现器件的能量损耗随着材料无序程度的增加而显著上升。更重要的是，损耗表现出对测量频率的依赖关系。通过分析损耗谱，研究人员能够区分不同物理机制（如两能级系统、准粒子）的贡献。
局域准粒子的主导作用
深入的分析表明，在研究的器件中，观察到的额外损耗主要来源于局域准粒子（localized quasiparticles）。这些准粒子并非在超导体中自由运动，而是被束缚在由于材料无序导致的超导能隙（superconducting gap）的空间不均匀区域。这些“陷阱”捕获了准粒子，使其成为持续的能量耗散源。
几何依赖性
研究还探讨了损耗与器件几何结构（如导线宽度、长度）的关系，进一步确认了损耗机制与材料体特性及其微观无序结构的关联，而非仅由表面或界面效应引起。
结论与讨论
本研究的核心结论是，当使用高动感电感的无序超导材料（如准二维非晶钨硅化物）构建量子电路时，其能量损耗的主要机制来源于材料内部超导能隙的空间涨落所捕获的局域准粒子。这一发现具有重要的意义：
首先，它明确了在利用这类高性能材料时所需面对和解决的关键物理问题。过去，两能级系统常被认为是无序材料中损耗的主要嫌疑犯，但此项工作指出，在特定的材料和器件条件下，局域准粒子可能扮演了更主导的角色。
其次，这项研究为未来设计和优化基于无序超导材料的量子器件提供了明确的指导方向。要降低损耗、提升量子比特的相干性能，工程上的努力需要聚焦于如何抑制能隙的空间不均匀性，减少准粒子局域化的“陷阱”，例如通过改进材料制备工艺以获得更均匀的薄膜。
最后，这项工作成功地将一种有潜力的高动感电感材料（钨硅化物）集成到了通量量子位这一先进的量子比特架构中，并对其损耗机制进行了微观层面的阐释，证明了深入的基础研究对于推动量子硬件技术进步的必要性。它连接了材料科学、凝聚态物理与量子信息工程，为探索新一代高性能超导量子电路奠定了重要的实验与理论基础。
