使用超薄材料来缩小超导量子比特的尺寸

使用超薄材料来缩小超导量子比特的尺寸可能为个人大小的量子设备铺平道路。与经典计算机中的晶体管一样，超导量子比特也是量子计算机的构建模块。虽然工程师已经能够将晶体管缩小到纳米级，但是超导量子比特仍然是以毫米为单位的，这是实用的量子计算设备无法缩小到智能手机大小的原因之一。 &<,SV^wag  
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麻省理工学院的研究人员现在使用超薄材料来建造超导量子比特，其尺寸至少是传统设计的百分之一，并且相邻量子比特之间的干扰较少。这一进展可以提高量子计算机的性能，并能借此开发出更小的量子设备。 QsiJ%O Q  
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研究人员已经证明，六方氮化硼，一种仅由几个单层原子组成的材料可以被堆叠起来，形成超导量子比特上的电容器中的绝缘体。这种无缺陷的材料使电容器比通常用于量子轨道的电容器小得多，这就缩小了它的占地面积，而不会明显牺牲性能。 X8/Tl\c  
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此外，研究人员表明，这些较小的电容器的结构应该大大减少交叉串扰，交叉串扰发生在一个量子比特无意中影响到周围的量子比特。 P|e`^Frxt  
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"现在，我们在一个设备中可能有50或100个量子比特，但为了将来的实际使用，我们在一个设备中需要数千或数百万的量子比特。因此，将每个单独的量子比特的尺寸小型化，同时避免这几十万个量子比特之间不必要的串扰，将是非常重要的。这是我们发现的可以用于这种结构的极少数材料之一，"共同第一作者Joel Wang说，他是麻省理工学院电子研究实验室工程量子系统组的研究科学家。 #HeM,;Xp  
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Wang的共同主要作者是20岁的Megan Yamoah，她曾是工程量子系统组的学生，目前正以罗兹奖学金在牛津大学学习。Cecil and Ida Green物理学教授Pablo Jarillo-Herrero是通讯作者，高级作者是William D. Oliver，他是电子工程和计算机科学以及物理学教授，麻省理工学院林肯实验室研究员，量子工程中心主任，以及电子学研究实验室副主任。该研究发表于2022年1月27日的《自然-材料》杂志。 kG/X"6pZ  
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超导量子比特是一种特殊的量子计算平台，它使用超导电路，包含电感和电容。就像在收音机或其他电子设备中，这些电容器储存了电场能量。电容器的构造通常像一个三明治，在绝缘或电介质材料的两侧有金属板。 dUS ZNY  
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但与收音机不同的是，超导量子计算机在超低温下工作--比绝对零度（-273.15摄氏度）高不到0.02度--并且具有非常高频的电场，类似于今天的手机。在这个工况下工作的大多数绝缘材料都有缺陷。虽然对大多数经典应用无害，但当量子相干信息通过电介质层时，可能会以某种随机方式丢失或被吸收。 gQ37>  
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"大多数用于集成电路的普通电介质，如氧化硅或氮化硅，有许多缺陷，导致质量系数在500至1000左右。这对于量子计算的应用来说，损失太大，"Oliver说。 '>@4(=I  
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为了解决这个问题，传统的量子比特电容器更像是开放式的三明治，没有顶板，真空位于底板上方，作为绝缘层。 ?O??cjiA@  
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Wang说："我们付出的代价是，板子要大得多，因为你稀释了电场，并使用了一个大得多的真空层。每个单独的量子比特的大小将比你能在一个小设备中包含所有东西的情况下大得多。而另一个问题是，当你有两个量子比特彼此相邻，并且每个量子比特都有自己的电场向自由空间开放时，它们之间可能会有一些不必要的谈话，这可能会使你很难只控制一个量子比特。人们很想回到电容器的非常原始的想法，这只是两个电板，中间夹着一个非常干净的绝缘体。" OifvUTl9b  
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他们认为六方氮化硼，来自一个被称为范德瓦尔斯材料（也被称为二维材料）的家族将是建立电容器的良好候选材料。这种独特的材料可以减薄到一层原子，其结构是结晶性的，不包含缺陷。然后，研究人员可以将这些薄层堆叠成所需的配置。 St@l]u9  
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为了测试六方氮化硼，他们进行了实验，以表征该材料在超低温下与高频电场相互作用时的清洁程度，并发现当能量通过该材料时，损失非常小。 79ckLd9  
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以前表征hBN（六方氮化硼）的大部分工作是在或接近零频率的情况下使用直流传输测量进行的。然而，量子比特在千兆赫兹系统中工作。hBN电容器在这些频率下具有超过100000的质量系数，这是目前平版印刷定义的集成平行板电容器的最高质量系数之一。 B'-I{~'/  
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他们使用六边形氮化硼来建造一个用于量子比特的平行板电容器。为了制造该电容器，他们将六方氮化硼夹在另一种范德瓦尔斯材料--二硒化铌的极薄层之间。 #'@ilk/.  
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复杂的制造过程包括在显微镜下准备一原子厚的材料层，然后用一种粘性聚合物抓住每一层并将其堆叠在另一层上面。他们将粘性聚合物与二维材料的堆叠放在了四维电路上，然后融化聚合物并将其洗掉。他们将电容器连接到现有的结构上，并将量子比特冷却到20毫开尔文（-273.13℃）。 #^6^  
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由此产生的量子比特比他们在同一芯片上用传统技术制造的小100倍。用他们的新设计，量子比特的相干时间或寿命只缩短了几微秒。用六方氮化硼建造的电容器在上下板之间含有90%以上的电场，这表明它们将大大抑制相邻的量子比特之间的串扰。这项工作是对哥伦比亚大学和雷神公司的一个团队最近研究的补充。 B0d%c&N${  
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在未来，研究人员希望用这种方法在一个芯片上构建许多量子比特，以验证他们的技术是否能减少交叉串扰。他们还想通过微调制造过程来提高量子比特的性能，甚至用二维材料来构建整个量子比特。 igDG}q3jG  
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"现在我们已经扫清了一条道路，表明你可以安全地使用尽可能多的六方氮化硼，而不用太担心缺陷。这开辟了很多机会，可以制造各种不同的异质结构，并将其与微波电路相结合，你可以探索的空间更大。"Wang说："在某种程度上，可以以任何方式使用这种材料，而不用太担心与电介质有关的损耗。"