科普介紹

以超導製作的量子位元基本上都脫不開約瑟夫森節（Josephson Junction）。約瑟夫森節是一種三明治結構，以兩個超導體中間夾一個非超導態的物質，因為量子效應，超導電流可以透過穿隧效應穿越這層非超導層。常見製作材料為鋁基（Al）或是鈮基（Nb），在基板上鍍一層超導金屬之後，讓表面氧化形成一層薄薄的氧化層（即絕緣非超導層），再鍍上另一層超導金屬，即是一個約瑟夫森節，這種超導-絕緣-超導結構稱為SIS結（Superconductor-Insulator-Superconductor, SIS junction）。

▲（a）SIS約瑟夫森節的示意圖。（b）電子顯微鏡下的鋁基SIS節。（c）鋁的超導溫度\(T_c = 1.2K\)，而鈮的擁有單元素裡面最高的超導溫度\(T_c = 9.2K\)，故如果用鈮來做量子位元可以有比較高的穩定度。可是鈮的氧化物\(Nb_2O_5\)與金屬鈮結構差異過大，難以製作成性能良好的約瑟夫森節，故利用多層的材料\(Nb-Re-Al_2O_3-Al-Nb\)，採用氧化鋁當絕緣層搭配薄薄的\(Re\)、\(Al\)當結構緩衝層。這種緩衝手法再現今半導體製程上也很常出現（異質整合），緩衝層大概約兩三層原子，作為橋接兩個晶格常數不匹配得材料。在量子材料中另一個很常見的量子效應-鄰近效應（Proximity effect），即塊材的波函數會完全進入到薄膜層，使得薄膜的物理性質「變成」塊材的物理性質。在這邊也會因為鈮超導的鄰近效應，使得緩衝層也變為超導性，故這個多層結構也是SIS。
Ref:10.1557/mrs.2013.229

▲Nb的約瑟夫森節例子
Ref:David Schuster of Stanford University
https://www.anl.gov/article/resurrecting-niobium-for-quantum-science
https://schusterlab.stanford.edu/research.html

▲量子效應是很脆弱的，事實上約瑟夫森節非常脆弱，要形成良好的絕緣層「並」整合在三明治結構中是非常挑戰的。如果結構中有不良的缺陷，會導致量子位元退相干、產生錯誤。故科學家也不斷的思考不同的解決方案。圖b為一種理論建議，利用收窄的效果，使局部失去超導性，即自然形成一個約瑟夫森節（ScS）。
Ref:10.1103/PhysRevA.110.012427
https://quantumzeitgeist.com/superconducting-qubits-get-boost-with-novel-constriction-design/