2026年10月8日——美国能源部费米国家加速器实验室副研究员Daniel Bafia获得美国能源部早期职业奖，将研究可能限制超导量子器件性能的微观缺陷。他的项目旨在利用磁涡旋——某些超导体的一种典型特征，也是常见的能量损耗来源——作为探测超导材料中原本隐藏缺陷的工具。

超导材料对许多量子技术至关重要，因为它们能以极低能量损耗保存量子信息。但即使在高性能器件中，材料内部及界面处的微观特征也会导致微波耗散并影响器件性能。

研究人员可以测量超导器件中的微波损耗，但直接确定哪些缺陷导致这种损耗仍然困难。Bafia的项目提出了一种独特方法：研究磁涡旋能否用于探测他所说的超导材料内部的“隐藏缺陷图景”。

“我想确定目前是什么在限制我们量子比特的性能，”Bafia说。“我正在做的是开发一种新的测量框架，以了解这些能量损耗来源来自何处。”

磁涡旋可在II型超导体中形成，包括铌和钽等材料，当磁通量在超导态下穿透材料时就会产生。每个涡旋都携带少量磁通量穿过超导体。在涡旋中心，超导性受到抑制，材料表现得更像普通导体，而超导电流围绕核心环流。

这些涡旋会与周围材料中的缺陷相互作用，而缺陷可将它们钉扎在原地。通过测量被捕获的涡旋如何导致射频耗散，Bafia希望确定不同缺陷环境是否会产生可区分的特征信号。

“我的工作是弄清楚缺陷与涡旋之间有什么联系，”Bafia说。“与其把涡旋视为另一种不需要的损耗来源，我的目标是探索它们与缺陷和界面的相互作用能否成为表征超导材料的新工具。”

这项工作建立在费米实验室十多年来对粒子加速器用铌超导射频（SRF）腔中捕获磁通的研究，以及材料和磁表征方面的丰富经验之上。这些能力为将加速器相关SRF研究中开发的技术扩展到研究超导量子器件中的材料挑战提供了基础。

该项目还与超导量子材料与系统中心的目标直接相关，该中心是美国能源部五个国家量子信息科学研究中心之一。如果Bafia能够建立涡旋行为、底层缺陷图景与量子比特性能之间的关系，该框架就可能提供一种新方法，用于表征研究人员一直无法直接分离出的耗散来源。

“如果我们能把涡旋钉扎与能量损耗联系起来，它就可能提供一种新方法来理解限制超导量子计算机材料的缺陷，”Bafia说。