在量子計算領域，超導量子位（qubit）的相干時間是決定其性能的核心指標之一。即使微小的材料雜質或缺陷，也可能導致能量損耗和信息失真，即所謂的「退相干」。最近，美國費米實驗室領導的超導量子材料與系統中心（SQMS）的一項新研究，為探索量子位中的雜質開辟了道路，并提出了減少退相干的有效策略，相關成果發表于《材料科學》領域的重要期刊。

超導量子位通常基于鋁、鈮等超導薄膜，工作溫度接近絕對零度。理想情況下，量子位應處于純量子態，但現實材料中的無序、界面效應和雜質會引入兩能級系統（TLS），這些微觀缺陷會與量子位耦合，導致能量弛豫和退相干。SQMS團隊利用高分辨率掃描 SQUID 顯微鏡和太赫茲光譜技術，首次在量子位器件中實現了對納米級雜質的空間成像與能級表征。他們發現，某些雜質來源于基底與超導膜界面處的非晶氧化物，以及金屬薄膜中的氫化物沉淀。

研究人員進一步通過可控實驗證實，這些雜質位置與退相干熱點高度重合。例如，在鋁基量子位中，一個尺寸僅 5 納米的氧化鋁團簇可使量子位壽命降低近一個數量級。結合第一性原理計算，團隊提出雜質誘發的局域振動模式會與量子位的微波激發產生共振吸收，從而加速量子態衰減。

為了抑制這種效應，SQMS提出了一種「雜質工程」方法：先通過低能離子輻照選擇性鈍化有害缺陷，再采用原子層沉積（ALD）生長無針孔的純化覆蓋層，以屏蔽界面雜質的偶極耦合。實驗證明，經過該處理的量子位在 10 毫開溫度下，能量弛豫時間從 30 微秒提升到 120 微秒，退相干速率降低了約 70%。

該研究不僅強調了材料純度和界面控制對量子計算的重要性，也為可擴展的超導量子處理器制定了一套通用缺陷診斷與修復流程。正如論文通訊作者所說：「我們需要不只關注量子位設計，更要直面真實的材料科學問題。雜質的發現讓我們能夠在退相干發生之前采取行動。」下一步，團隊將通過束流輔助表面改性，針對鈮、鉭等其他超導體系開拓更為普適的低損耗量子位制備技術。