[ad_1]
Подобно транзисторам в классическом компьютере, сверхпроводящие кубиты являются строительными блоками квантового компьютера. Хотя инженерам удалось уменьшить размеры транзисторов до нанометров, сверхпроводящие кубиты по-прежнему измеряются в миллиметрах. Это одна из причин, по которой практичное квантовое вычислительное устройство нельзя уменьшить, например, до размеров смартфона.
Исследователи Массачусетского технологического института уже использовали сверхтонкие материалы для создания сверхпроводящих кубитов, которые по крайней мере в одну сотую меньше обычных конструкций и страдают от меньшей интерференции между соседними кубитами. Этот прогресс может улучшить производительность квантовых компьютеров и позволить разработку квантовых устройств меньшего размера.
Исследователи продемонстрировали, что гексагональный нитрид бора, материал, состоящий всего из нескольких монослоев атомов, может быть сложен для формирования изолятора в конденсаторах на сверхпроводящем кубите. Этот бездефектный материал позволяет использовать конденсаторы, которые намного меньше, чем те, которые обычно используются в кубите, что уменьшает его площадь без значительного ущерба для производительности.
Кроме того, исследователи показывают, что структура этих меньших конденсаторов должна значительно уменьшить перекрестные помехи, которые возникают, когда один кубит непреднамеренно влияет на окружающие кубиты.
«Сейчас у нас может быть 50 или 100 кубитов в устройстве, но для практического использования в будущем нам потребуются тысячи или миллионы кубитов в устройстве. Таким образом, будет очень важно уменьшить размер каждого отдельного кубита и в то же время избежать нежелательных перекрестных помех между этими сотнями тысяч кубитов. Это один из очень немногих найденных нами материалов, которые можно использовать в конструкциях такого типа», — говорит соавтор Джоэл Ван, научный сотрудник группы инженерных квантовых систем Исследовательской лаборатории электроники Массачусетского технологического института.
Соавтор Ванга — Меган Ямоа, 20 лет, бывшая студентка группы Engineering Quantum Systems, которая в настоящее время учится в Оксфордском университете по стипендии Родса. Пабло Харилло-Эрреро, профессор физики имени Сесила и Иды Грин, является автором-корреспондентом, а старший автор — Уильям Д. Оливер, профессор электротехники, информатики и физики, научный сотрудник лаборатории Линкольна Массачусетского технологического института, директор Центр квантовой инженерии и заместитель директора Исследовательской лаборатории электроники. Исследование опубликовано сегодня в Природные материалы.
Проблемы с кубитами
Сверхпроводящие кубиты, особый вид платформы квантовых вычислений, в которой используются сверхпроводящие схемы, содержат катушки индуктивности и конденсаторы. Так же, как в радиоприемнике или другом электронном устройстве, эти конденсаторы накапливают энергию электрического поля. Конденсатор часто строится как бутерброд с металлическими пластинами по обе стороны от изолирующего или диэлектрического материала.
Но, в отличие от радио, сверхпроводящие квантовые компьютеры работают при сверхнизких температурах — менее 0,02 градуса выше абсолютного нуля (-273,15 градуса Цельсия) — и имеют очень высокочастотные электрические поля, подобные сегодняшним сотовым телефонам. Большинство изоляционных материалов, работающих в этом режиме, имеют дефекты. Хотя это и не вредно для большинства классических приложений, когда квантово-когерентная информация проходит через диэлектрический слой, она может быть потеряна или поглощена каким-то случайным образом.
«Большинство распространенных диэлектриков, используемых для интегральных схем, таких как оксиды кремния или нитриды кремния, имеют множество дефектов, что приводит к коэффициенту качества от 500 до 1000. Это просто слишком большие потери для приложений квантовых вычислений», — говорит Оливер.
Чтобы обойти это, обычные кубитные конденсаторы больше похожи на бутерброды с открытой поверхностью, без верхней пластины и вакуума, расположенного над нижней пластиной, который действует как изолирующий слой.
«Цена, которую приходится платить, заключается в том, что пластины намного больше, потому что вы разбавляете электрическое поле и используете гораздо больший слой для вакуума», — говорит Ван. «Размер каждого отдельного кубита будет намного больше, чем если бы вы могли вместить все в маленьком устройстве. И другая проблема заключается в том, что когда у вас есть два кубита рядом друг с другом, и у каждого кубита есть собственное электрическое поле, открытое в свободное пространство, между ними может возникнуть какой-то нежелательный разговор, который может затруднить управление только одним кубитом. Хотелось бы вернуться к очень оригинальной идее конденсатора, который представляет собой всего лишь две электрические пластины с очень чистым изолятором, зажатым между ними».
Вот что сделали эти исследователи.
Они думали, что гексагональный нитрид бора, принадлежащий к семейству материалов, известных как материалы Ван-дер-Ваальса (также называемые двумерными материалами), будет хорошим кандидатом для создания конденсатора. Этот уникальный материал может быть утончен до одного слоя атомов, который имеет кристаллическую структуру и не содержит дефектов. Затем исследователи могут складывать эти тонкие слои в нужные конфигурации.
Чтобы протестировать гексагональный нитрид бора, они провели эксперименты, чтобы определить, насколько материал чист при взаимодействии с высокочастотным электрическим полем при сверхнизких температурах, и обнаружили, что при прохождении через материал теряется очень мало энергии.
«Большая часть предыдущей работы, характеризующей hBN (гексагональный нитрид бора), была выполнена на нулевой или близкой к нулю частоте с использованием измерений переноса постоянного тока. Однако кубиты работают в гигагерцовом режиме. Приятно видеть, что конденсаторы hBN имеют добротность, превышающую 100 000 на этих частотах, что является одним из самых высоких показателей добротности, которые я видел для литографически определенных интегрированных конденсаторов с параллельными пластинами», — говорит Оливер.
Конструкция конденсатора
Они использовали гексагональный нитрид бора для создания плоскопараллельного конденсатора для кубита. Чтобы изготовить конденсатор, они поместили гексагональный нитрид бора между очень тонкими слоями другого материала Ван-дер-Ваальса, диселенида ниобия.
Сложный производственный процесс включал подготовку слоев материалов толщиной в один атом под микроскопом, а затем использование липкого полимера для захвата каждого слоя и укладки его поверх другого. Они поместили липкий полимер со стопкой 2D-материалов на схему кубита, затем расплавили полимер и смыли его.
Затем они подключили конденсатор к существующей конструкции и охладили кубит до 20 милликельвинов (-273,13 С).
«Одной из самых больших проблем производственного процесса является работа с диселенидом ниобия, который окисляется за считанные секунды на воздухе. Чтобы избежать этого, вся сборка этой конструкции должна производиться в так называемом перчаточном боксе, который представляет собой большой ящик, наполненный аргоном, инертным газом с очень низким содержанием кислорода. Мы должны делать все внутри этой коробки», — говорит Ван.
Полученный кубит примерно в 100 раз меньше, чем тот, что они сделали традиционными методами на том же чипе. Время когерентности или время жизни кубита всего на несколько микросекунд короче благодаря их новой конструкции. А конденсаторы, изготовленные из гексагонального нитрида бора, содержат более 90 процентов электрического поля между верхней и нижней пластинами, что позволяет предположить, что они значительно подавляют перекрестные помехи между соседними кубитами, говорит Ван. Эта работа дополняет недавнее исследование, проведенное командой Колумбийского университета и компании Raytheon.
В будущем исследователи хотят использовать этот метод для создания множества кубитов на чипе, чтобы убедиться, что их метод снижает перекрестные помехи. Они также хотят улучшить производительность кубита за счет точной настройки процесса изготовления или даже создания всего кубита из 2D-материалов.
«Теперь мы расчистили путь, чтобы показать, что вы можете безопасно использовать столько гексагонального нитрида бора, сколько хотите, не слишком беспокоясь о дефектах. Это открывает много возможностей, когда вы можете создавать всевозможные гетероструктуры и комбинировать их с СВЧ-схемой, и вы можете исследовать гораздо больше возможностей. В некотором смысле мы даем людям зеленый свет — вы можете использовать этот материал как хотите, не слишком беспокоясь о потерях, связанных с диэлектриком», — говорит Ван.
Это исследование частично финансировалось Исследовательским бюро армии США, Национальным научным фондом и помощником министра обороны по исследованиям и разработкам через лабораторию Линкольна Массачусетского технологического института.
[ad_2]
Source