介质损耗

超导量子比特把它的能量有一部分储存为在金属周围空间里振荡的电场。只要这个电场穿过某种绝缘材料——一小片裸露的硅表面、金属上薄薄的天然氧化层、两块芯片之间的粘接胶——其中一部分能量就会被悄悄吸收并转化成热。这种吸收就是介质损耗，也是量子比特往往只过几百微秒就忘掉自己状态的主要原因之一。电场所触及的每一处不完美绝缘体，都是一个微小的泄漏点。

工程师把这个问题拆成两部分。材料本身有一个损耗角正切，记作 tan delta，它描述了单位电场能量落在该绝缘体里时会损耗多少。而每个区域又有一个参与比 p，即量子比特总电场能量中真正落在该区域内的那一份额。某个区域带来的损害大致是 p 乘以 tan delta，再把所有损耗点的这些乘积加起来。于是对付介质损耗有两条路：挑更好的材料以降低 tan delta；以及调整几何结构——更宽的间隙、更干净的表面、更少的界面——把电场推离那些损耗区域以降低 p。

诚实的难处在于，最严重的元凶往往是最薄、最难控制的那些层：几个纳米厚的氧化层，以及金属与衬底相接处那个杂乱的界面——那里参与比 p 很小，但 tan delta 极大。许多损耗来自正好住在这些层里的微观双能级系统缺陷。更洁净的工艺、更好的衬底和巧妙的几何设计已经让量子比特寿命稳步提升，但表面和界面的介质损耗至今仍是限制当今量子比特能活多久的主要瓶颈之一，远未被解决。