科学家将超导量子比特芯片尺寸缩小了1000倍

光子盒研究院出品

为了让量子计算机在速度和能力上超越经典计算机，它们的量子比特(以超导量子比特为例)需要在相同的波长上。然而，实现这一目标是以牺牲规模为代价的。虽然经典计算机中使用的晶体管已经缩小到纳米级，但现在超导量子比特的测量单位仍然是毫米——一毫米等于一百万纳米。

将量子比特组合成越来越大的电路芯片，相对而言，最终量子计算机会占用大量的物理空间。这些还不是我们可以随身携带或戴在手腕上的设备。

为了在保持其性能的同时缩小量子比特，该领域需要一种新的方法来制造存储能量的电容器，从而“驱动”量子比特。最近，在与雷神公司的合作中，哥伦比亚工程学院James Hone教授的实验室展示了一种由2D材料制成的超导量子比特电容器，其尺寸仅为以前的一小部分。

以前，为了制造量子比特芯片，工程师们不得不使用平面电容器，将必要的带电极板并排放置。堆叠这些极板可以节省空间，但传统并联电容器中使用的金属会干扰量子比特信息存储。

最近发表在Nano Letters上的最新论文中[1]，Hone的博士生Abhinandan Antony和Anjaly Rajendra将氮化硼绝缘层夹在两块超导铌二硒化物带电板之间。每层都只有一个原子厚，由范德华力(电子之间的弱相互作用)连接在一起。然后，研究团队将电容器与铝电路相结合，制造出一种包含两个量子比特的芯片，面积为109平方微米，厚度仅为35纳米，比传统方法生产的芯片小1000倍。

该团队超导量子比特芯片的光学显微照片，比传统制造技术制造的芯片小1000倍

当他们将量子比特芯片冷却到略高于绝对零度时，量子比特出现了相同的波长。研究团队还观察到了一些关键特征，这些特征表明两个量子比特正在纠缠在一起，并作为一个单一的单元发挥作用，这一现象被称为量子相干性；Hone说，这意味着量子比特的量子态可以通过电脉冲进行操纵和读出。他补充说，相干时间较短——略超过1微秒，而传统共面电容器的相干性时间约为10微秒，但这只是探索2D材料在该领域应用的第一步。

麻省理工学院研究人员8月份在arXiv上发表的另一项研究[2]也利用了铌二硒化物和氮化硼为量子比特构建平行板电容器。麻省理工学院研究团队研究的设备显示，相干时间甚至更长，可达25微秒，这表明仍有进一步提高性能的空间。

从这里开始，Hone和他的团队将继续改进他们的制造技术，并测试其他类型的2D材料以增加相干时间(量子比特存储信息的时间)。Hone说，通过将这些元件组合成一个范德华堆栈，或者为电路的其他部分部署2D材料，新的器件设计应该能够进一步缩小尺寸。

Hone说：“我们现在知道，2D材料可能是使量子计算机成为可能的关键。目前还处于早期阶段，但是这样的发现将促使全世界的研究者考虑2D材料的新应用。我们希望今后能在这个方向上看到更多的工作进展。”

论文链接：

[1]https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c04160

[2]https://arxiv.org/abs/2109.00015

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