量子计算领域对稳定且可扩展的量子计算的追求日益增长，使得超导电路成为一个领先的平台。这些电路利用超导和约瑟夫森效应的独特属性，为构建强大的量子处理器提供了一条充满希望的途径。然而，一个重大的障碍仍然存在：退相干。这种量子信息的丢失，源于与环境的相互作用，严重限制了量子运算的持续时间和保真度。最新的突破表明，构成这些电路的材料中的微观缺陷在退相干过程中起着至关重要的，甚至是主导的作用。
多年来，超导量子比特退相干的根源主要归因于对环境噪声的理解不足。现在，越来越多的研究将特定的材料缺陷——特别是双能级系统（TLS）——确定为主要的贡献者。人们认为这些 TLS 源于界面、晶界或许多超导材料中存在的非晶层中的缺陷。它们充当寄生量子系统，与量子比特耦合，导致能量弛豫和退相。直接可视化和表征这些缺陷的能力代表着克服这一挑战的巨大进步。英国国家物理实验室（NPL）的科学家们，与查尔姆斯理工大学和伦敦大学皇家霍洛威学院合作，首次实现了这一壮举，他们利用先进的扫描栅极显微镜（SGM）与毫开尔文温度下实时超导电路的原位读数相结合。这使得可以直接定位和微观检查单个 TLS 缺陷。
对这些缺陷的识别不仅仅局限于定位它们。研究人员还在深入研究基础材料科学，以了解它们的形成和特性。例如，布鲁克海文实验室的研究发现，钽（Ta）薄膜（通常用于量子比特制造）和生长于其上的蓝宝石衬底之间存在一个意想不到的界面层。这个界面是 TLS 的潜在滋生地，凸显了控制材料生长和界面质量的重要性。表征技术的进一步进步，例如 NPL 科学家使用的电子顺磁共振（EPR），正在提供对这些缺陷的化学和结构特性的深入了解。最近的工作已经证明，对约瑟夫森结和螺旋谐振器的原子级表征正在揭示导致退相干的纳米结构缺陷的性质。解析这些缺陷位置的能力为验证材料质量和优化微制造工艺提供了关键工具，最终能够制造出更强大的量子比特。
在识别缺陷之外，研究人员还在探索减轻其影响的方法。声子工程，即操纵材料内的振动模式，正在成为一种控制原子尺度缺陷行为的潜在策略。此外，对替代材料和电路设计的调查也在进行中。例如，对扭曲三层石墨烯的研究显示出令人鼓舞的结果，其具有高动电感，这是一种有利于量子电路开发的属性。在超导量子位中探索拓扑麦克斯韦金属带也代表了一种设计不太容易受到退相干影响的电路的新颖方法。甚至容纳这些复杂电路的外壳也在受到审查，研究的重点是最大限度地减少可能加剧退相干的不必要的电磁相互作用，尤其是在设备规模扩大时。开发能够控制电磁环境的外壳对于维持量子比特的相干性至关重要。此外，对理解和控制准粒子中毒（一种不想要的准粒子扰乱量子比特状态的现象）的进展也有助于提高量子比特的性能。最近的研究甚至表明，仔细优化超导电路内的耦合，采用诸如蒙特卡罗方法之类的方法，可以帮助避免量子混沌并获得更高保真度的量子状态。
该领域正在迅速发展，在对量子比特性能的持续改进的推动下，既有基础理解，也有技术创新。从最初展示具有几十个量子比特的原型量子处理器，到目前正在进行的扩展这些系统的努力，重点仍然是克服退相干带来的限制。材料科学、量子工程和先进表征技术的融合正在为更稳定、更可靠，最终更强大的超导量子计算机铺平道路。最新的科学新闻不断强调这些进步，表明这一关键领域发现的步伐正在加快，并巩固了超导电路在构建实用量子计算机的竞赛中的领先地位。英国国家物理实验室（NPL）的科学家们首次对超导量子电路中的单个缺陷进行了成像，这一突破性进展发表在了 Phys.org 上。这项工作强调了材料缺陷对量子比特退相干的影响，并展示了先进的显微镜技术在识别和表征这些缺陷方面的作用。
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