科普介紹

常見超導量子位元是以約瑟夫森節構成的量子電路，穿隧接面常採用\(\mathrm{Al}/\mathrm{AlO}_x/\mathrm{Al}\)結構，在兩層鋁電極之間夾入非晶氧化鋁穿隧障壁。然而，非晶氧化層常有許多缺陷構成TLS，造成退相干來源，故科學家與工程師在思考，能否用單一材料直接製成超導量子位元？Bøttcher等人利用單一氮化鈮(NbN)薄膜，將局部區域減薄成弱連結，製作出稱為Planaron的量子位元。[1]

NbN薄膜的超導—絕緣體轉變

超導性質與古柏對的相干長度有關，當材料尺寸與相干尺度相近時，超導性質會受到改變，許多超導體製成薄膜時\(T_c\)會與塊材不同。NbN薄膜減薄時，超導臨界溫度\(T_c\)會降低。這批薄膜在臨界厚度\(d_c \approx 2.5\text{–}3\,\mathrm{nm}\)附近發生超導—絕緣體轉變(Superconductor–Insulator Transition，SIT)。研究團隊用原子層沉積(ALD)控制薄膜的生長厚度，也用原子層蝕刻(ALE)將較厚的薄膜逐步減薄，研究厚度對超導態的影響。

製作接面時，先保留兩側較厚的NbN作為超導電極，再把中間一小段減薄到約\(2.5\,\mathrm{nm}\)，形成弱連結。可以參考下圖(b)，中央薄區與兩側電極原本是同一片薄膜，只在局部改變厚度。接著改變薄區的長度和寬度，觀察它能承載多少超導電流，以下用電流—電壓曲線來比較。

▲(a)以薄膜厚度調控的SIT相圖，厚度\(d_{c}\)附近為超導與絕緣區域的分界。(b)弱連結的原子力顯微鏡(AFM)影像，可見中央減薄區與兩側較厚電極。(c、d)長度\(20\,\mathrm{nm}\)的短弱連結，具有超導穿隧電流。(e、f)當減薄區長度增加到\(50\,\mathrm{nm}\)時，便不具備穿隧超導性，電阻行為隨之顯現。
Ref: C. G. L. Bøttcher et al., arXiv:2510.19983v1, Fig. 2。論文原圖。

兩種弱連結製程順序

▲(a→b)Sample 1先在NbN薄膜中局部蝕刻減薄出長槽，再去除周邊。(c→d)Sample 2先製作導線，再將中間一段局部減薄。兩種製程都能形成弱連結，但導線側壁暴露於後續製程的情況不同。兩組樣品的超導電流分布會有差異。
Ref: C. G. L. Bøttcher et al., arXiv:2510.19983v1, Fig. S8。論文原圖。

Planaron量子位元的頻譜

將NbN弱連結接上電容，構成Planaron。接面的寬度約\(1\,\mu\mathrm{m}\)、長度約\(30\,\mathrm{nm}\)，電路配置可以見下圖(a)。當傳輸線上的微波與量子位元共振，傳輸訊號的振幅與相位會改變，因此可以由傳輸係數\(S_{21}\)找出量子位元頻率。

▲(a)上方為弱連結幾何，下方為電容與傳輸線的配置。(b)不同驅動功率下的複數傳輸響應；功率增加時，兩能階躍遷逐漸飽和，曲線受到壓縮。(c)將圖(b)的傳輸響應代入兩能階模型，抽取Rabi頻率\(\Omega_R\)，可以看到微波驅動振幅越大，Rabi頻率也跟著增加。(d)先持續驅動\(|0\rangle \rightarrow |1\rangle\)，再掃描第二道微波，可見\(|1\rangle \rightarrow |2\rangle\)躍遷，強驅動下亦出現能階分裂。(e)固定功率下的截線，兩個峰相距約\(235\,\mathrm{MHz}\)，即非諧性大小。
Ref: C. G. L. Bøttcher et al., arXiv:2510.19983v1, Fig. 3。論文原圖。

Planaron量子位元的\(T_1\)

Bøttcher在後續演講中展示了Planaron的能量弛緩時間\(T_1\)。先將量子位元激發至\(|1\rangle\)，再改變等待時間後讀出，便可以由激發態的衰減取得\(T_1\)。投影片上的量測結果為\(T_1=243\pm7.9\,\mu\mathrm{s}\)。[2]

▲左圖比較不同失諧量（detuning）下的\(T_1\)，粉紅點為實驗數據，灰藍點為Purcell效應的模擬結果。右上為讀出訊號隨等待時間的衰減曲線；右下統計20小時內多次量測的\(T_1\)，平均約\(220\,\mu\mathrm{s}\)。這張投影片未標示量測溫度。
Ref: Charlotte Bøttcher, “The Planaron qubit: lifetime & coherence,” 演講投影片；照片出處：Michaela Eichinger，LinkedIn原始貼文。

參考文獻

1. C. G. L. Bøttcher et al., “A transmon qubit realized by exploiting the superconductor-insulator transition,” 預印本 (2025). arXiv:2510.19983v1。
2. Charlotte Bøttcher，〈The Planaron qubit: lifetime & coherence〉演講投影片照片，由Michaela Eichinger發布於LinkedIn原始貼文。