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使用超薄材料來(lái)縮小超導(dǎo)量子比特的尺寸可能為個(gè)人大小的量子設(shè)備鋪平道路。與經(jīng)典計(jì)算機(jī)中的晶體管一樣，超導(dǎo)量子比特也是量子計(jì)算機(jī)的構(gòu)建模塊。雖然工程師已經(jīng)能夠?qū)⒕w管縮小到納米級(jí)，但是超導(dǎo)量子比特仍然是以毫米為單位的，這是實(shí)用的量子計(jì)算設(shè)備無(wú)法縮小到智能手機(jī)大小的原因之一。
麻省理工學(xué)院的研究人員現(xiàn)在使用超薄材料來(lái)建造超導(dǎo)量子比特，其尺寸至少是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的百分之一，并且相鄰量子比特之間的干擾較少。這一進(jìn)展可以提高量子計(jì)算機(jī)的性能，并能借此開(kāi)發(fā)出更小的量子設(shè)備。
研究人員已經(jīng)證明，六方氮化硼，一種僅由幾個(gè)單層原子組成的材料可以被堆疊起來(lái)，形成超導(dǎo)量子比特上的電容器中的絕緣體。這種無(wú)缺陷的材料使電容器比通常用于量子軌道的電容器小得多，這就縮小了它的占地面積，而不會(huì)明顯犧牲性能。
此外，研究人員表明，這些較小的電容器的結(jié)構(gòu)應(yīng)該大大減少交叉串?dāng)_，交叉串?dāng)_發(fā)生在一個(gè)量子比特?zé)o意中影響到周?chē)牧孔颖忍亍?br />
麻省理工學(xué)院的研究人員利用二維材料六方氮化硼為超導(dǎo)量子比特建造了小得多的電容器，使他們能夠在不犧牲性能的情況下將量子比特的占地面積縮小兩個(gè)數(shù)量級(jí)。
"現(xiàn)在，我們?cè)谝粋€(gè)設(shè)備中可能有50或100個(gè)量子比特，但為了將來(lái)的實(shí)際使用，我們?cè)谝粋€(gè)設(shè)備中需要數(shù)千或數(shù)百萬(wàn)的量子比特。因此，將每個(gè)單獨(dú)的量子比特的尺寸小型化，同時(shí)避免這幾十萬(wàn)個(gè)量子比特之間不必要的串?dāng)_，將是非常重要的。這是我們發(fā)現(xiàn)的可以用于這種結(jié)構(gòu)的極少數(shù)材料之一，"共同第一作者Joel Wang說(shuō)，他是麻省理工學(xué)院電子研究實(shí)驗(yàn)室工程量子系統(tǒng)組的研究科學(xué)家。
Wang的共同主要作者是20歲的Megan Yamoah，她曾是工程量子系統(tǒng)組的學(xué)生，目前正以羅茲獎(jiǎng)學(xué)金在牛津大學(xué)學(xué)習(xí)。Cecil and Ida Green物理學(xué)教授Pablo Jarillo-Herrero是通訊作者，高級(jí)作者是William D. Oliver，他是電子工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)以及物理學(xué)教授，麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室研究員，量子工程中心主任，以及電子學(xué)研究實(shí)驗(yàn)室副主任。該研究發(fā)表于2022年1月27日的《自然-材料》雜志。
超導(dǎo)量子比特是一種特殊的量子計(jì)算平臺(tái)，它使用超導(dǎo)電路，包含電感和電容。就像在收音機(jī)或其他電子設(shè)備中，這些電容器儲(chǔ)存了電場(chǎng)能量。電容器的構(gòu)造通常像一個(gè)三明治，在絕緣或電介質(zhì)材料的兩側(cè)有金屬板。
但與收音機(jī)不同的是，超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)在超低溫下工作--比絕對(duì)零度(-273.15攝氏度)高不到0.02度--并且具有非常高頻的電場(chǎng)，類(lèi)似于今天的手機(jī)。在這個(gè)工況下工作的大多數(shù)絕緣材料都有缺陷。雖然對(duì)大多數(shù)經(jīng)典應(yīng)用無(wú)害，但當(dāng)量子相干信息通過(guò)電介質(zhì)層時(shí)，可能會(huì)以某種隨機(jī)方式丟失或被吸收。
"大多數(shù)用于集成電路的普通電介質(zhì)，如氧化硅或氮化硅，有許多缺陷，導(dǎo)致質(zhì)量系數(shù)在500至1000左右。這對(duì)于量子計(jì)算的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，損失太大，"Oliver說(shuō)。
為了解決這個(gè)問(wèn)題，傳統(tǒng)的量子比特電容器更像是開(kāi)放式的三明治，沒(méi)有頂板，真空位于底板上方，作為絕緣層。
Wang說(shuō)："我們付出的代價(jià)是，板子要大得多，因?yàn)槟阆♂屃穗妶?chǎng)，并使用了一個(gè)大得多的真空層。每個(gè)單獨(dú)的量子比特的大小將比你能在一個(gè)小設(shè)備中包含所有東西的情況下大得多。而另一個(gè)問(wèn)題是，當(dāng)你有兩個(gè)量子比特彼此相鄰，并且每個(gè)量子比特都有自己的電場(chǎng)向自由空間開(kāi)放時(shí)，它們之間可能會(huì)有一些不必要的談話(huà)，這可能會(huì)使你很難只控制一個(gè)量子比特。人們很想回到電容器的非常原始的想法，這只是兩個(gè)電板，中間夾著一個(gè)非常干凈的絕緣體。"
他們認(rèn)為六方氮化硼，來(lái)自一個(gè)被稱(chēng)為范德瓦爾斯材料(也被稱(chēng)為二維材料)的家族將是建立電容器的良好候選材料。這種獨(dú)特的材料可以減薄到一層原子，其結(jié)構(gòu)是結(jié)晶性的，不包含缺陷。然后，研究人員可以將這些薄層堆疊成所需的配置。
為了測(cè)試六方氮化硼，他們進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，以表征該材料在超低溫下與高頻電場(chǎng)相互作用時(shí)的清潔程度，并發(fā)現(xiàn)當(dāng)能量通過(guò)該材料時(shí)，損失非常小。
以前表征hBN(六方氮化硼)的大部分工作是在或接近零頻率的情況下使用直流傳輸測(cè)量進(jìn)行的。然而，量子比特在千兆赫茲系統(tǒng)中工作。hBN電容器在這些頻率下具有超過(guò)100000的質(zhì)量系數(shù)，這是目前平版印刷定義的集成平行板電容器的最高質(zhì)量系數(shù)之一。
他們使用六邊形氮化硼來(lái)建造一個(gè)用于量子比特的平行板電容器。為了制造該電容器，他們將六方氮化硼夾在另一種范德瓦爾斯材料--二硒化鈮的極薄層之間。
復(fù)雜的制造過(guò)程包括在顯微鏡下準(zhǔn)備一原子厚的材料層，然后用一種粘性聚合物抓住每一層并將其堆疊在另一層上面。他們將粘性聚合物與二維材料的堆疊放在了四維電路上，然后融化聚合物并將其洗掉。他們將電容器連接到現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)上，并將量子比特冷卻到20毫開(kāi)爾文(-273.13℃)。
由此產(chǎn)生的量子比特比他們?cè)谕恍酒嫌脗鹘y(tǒng)技術(shù)制造的小100倍。用他們的新設(shè)計(jì)，量子比特的相干時(shí)間或壽命只縮短了幾微秒。用六方氮化硼建造的電容器在上下板之間含有90%以上的電場(chǎng)，這表明它們將大大抑制相鄰的量子比特之間的串?dāng)_。這項(xiàng)工作是對(duì)哥倫比亞大學(xué)和雷神公司的一個(gè)團(tuán)隊(duì)最近研究的補(bǔ)充。
在未來(lái)，研究人員希望用這種方法在一個(gè)芯片上構(gòu)建許多量子比特，以驗(yàn)證他們的技術(shù)是否能減少交叉串?dāng)_。他們還想通過(guò)微調(diào)制造過(guò)程來(lái)提高量子比特的性能，甚至用二維材料來(lái)構(gòu)建整個(gè)量子比特。
"現(xiàn)在我們已經(jīng)掃清了一條道路，表明你可以安全地使用盡可能多的六方氮化硼，而不用太擔(dān)心缺陷。這開(kāi)辟了很多機(jī)會(huì)，可以制造各種不同的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，并將其與微波電路相結(jié)合，你可以探索的空間更大。"Wang說(shuō)："在某種程度上，可以以任何方式使用這種材料，而不用太擔(dān)心與電介質(zhì)有關(guān)的損耗。"
(原標(biāo)題：超薄材料有望帶來(lái)量子計(jì)算的巨大進(jìn)步)
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