超薄材料可能为个人尺寸的量子设备铺平道路作者：麻省理工学院的 Abby Abazorius学分：CC0 公共领域就像经典计算机中的晶体管一样，超导量子位是量子计算机的构建块。然而，虽然工程师们已经能够将晶体管缩小到纳米级，但超导量子位仍然以毫米为单位。例如，这是一个实用的量子计算设备无法小型化到智能手机大小的原因之一。麻省理工学院的研究人员现在已经使用超薄材料来构建超导量子位，其尺寸至少是传统设计的百分之一，并且相邻量子位之间的干扰更少。这一进步可以提高量子计算机的性能，并能够开发更小的量子设备。

研究人员已经证明，六方氮化硼是一种仅由几个单层原子组成的材料，可以堆叠以在超导量子位上的电容器中形成绝缘体。这种无缺陷的材料使电容器比通常用于量子位的电容器小得多，从而在不显着牺牲性能的情况下缩小了尺寸。

此外，研究人员表明，这些较小电容器的结构应该可以大大减少串扰，这种串扰发生在一个量子位无意中影响周围的量子位时。

“目前，我们在一个设备中可能有 50 或 100 个量子比特，但为了未来的实际应用，我们将需要在一个设备中拥有数千或数百万个量子比特。因此，缩小每个个体的大小将非常重要量子位，同时避免了这数十万个量子位之间不必要的串扰。这是我们发现的极少数可用于这种结构的材料之一，”共同主要作者，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。

Wang 的共同主要作者是 Megan Yamoah '20，她是工程量子系统小组的前学生，目前正在牛津大学获得罗德奖学金。塞西尔和艾达格林物理学教授 Pablo Jarillo-Herrero 为通讯作者，高级作者为电气工程、计算机科学和物理学教授、麻省理工学院林肯实验室研究员、计算机科学系主任 William D. Oliver量子工程中心，电子研究实验室副主任。该研究今天发表在《自然材料》上。量子比特的困惑

超导量子位是一种使用超导电路的特殊量子计算平台，包含电感器和电容器。就像在收音机或其他电子设备中一样，这些电容器存储电场能量。电容器通常像三明治一样建造，在绝缘或电介质材料的两侧都有金属板。

但与无线电不同的是，超导量子计算机在超低温下运行——比绝对零高不到 0.02 度（-273.15 摄氏度）——并且具有非常高频的电场，类似于今天的手机。在这种情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介电层时，它可能会以某种随机方式丢失或吸收。

“用于集成电路的大多数常见电介质，例如氧化硅或氮化硅，都存在许多缺陷，导致品质因数约为 500 到 1,000。这对于量子计算应用来说损耗太大了，”Oliver 说。

为了解决这个问题，传统的量子比特电容器更像是开放式三明治，没有顶板，底板上方有真空作为绝缘层。

“付出的代价是板要大得多，因为你稀释了电场并为真空使用了更大的层，”王说。“每个单独的量子比特的大小将比你可以将所有东西包含在一个小型设备中要大得多。另一个问题是，当你有两个彼此相邻的量子比特时，每个量子比特都有自己的电场对自由开放空间，它们之间可能会发生一些不必要的谈话，这会使控制一个量子比特变得困难。人们很想回到电容器的最初想法，它只是两个电板，中间夹着一个非常干净的绝缘体之间。”

所以，这就是这些研究人员所做的。

他们认为来自称为范德华材料（也称为 2D 材料）家族的六方氮化硼将是制造电容器的良好候选者。这种独特的材料可以减薄至一层原子，其结构为晶体且不含缺陷。然后研究人员可以将这些薄层堆叠成所需的配置。

为了测试六方氮化硼，他们进行了实验来表征材料在超冷温度下与高频电场相互作用时的清洁程度，并发现当它通过材料时损失的能量非常少。

“之前表征 hBN（六方氮化硼）的大部分工作都是使用 DC 传输测量在零频率或接近零频率下进行的。但是，量子位在千兆赫兹范围内运行。很高兴看到 hBN 电容器在这些频率下的品质因数超过 100,000，在我所见过的光刻定义的集成平行板电容器中，Qs 是最高的，”Oliver 说。

电容器结构

他们使用六方氮化硼为量子比特构建了一个平行板电容器。为了制造电容器，他们将六方氮化硼夹在另一种范德华材料（二硒化铌）的极薄层之间。

复杂的制造过程包括在显微镜下制备一个原子厚的材料层，然后使用粘性聚合物抓住每一层并将其堆叠在另一层之上。他们将带有二维材料堆叠的粘性聚合物放置在量子比特电路上，然后熔化聚合物并将其冲走。

然后他们将电容器连接到现有结构并将量子位冷却到 20 毫开尔文（-273.13 C）。

“制造过程中最大的挑战之一是使用二硒化铌，如果它暴露在空气中，它会在几秒钟内氧化。为了避免这种情况，这个结构的整个组装必须在我们所说的手套箱中完成，这是一个装满氩气的大盒子，氩气是一种惰性气体，氧气含量非常低。我们必须在这个盒子里做所有事情，”王说。

由此产生的量子比特比他们在同一芯片上使用传统技术制造的量子比特小约 100 倍。新设计的量子比特的相干时间或寿命仅缩短了几微秒。王说，用六方氮化硼制成的电容器在上下板之间包含超过 90% 的电场，这表明它们将显着抑制相邻量子位之间的串扰。这项工作是对哥伦比亚大学和雷神公司团队最近研究的补充。

未来，研究人员希望使用这种方法在芯片上构建许多量子位，以验证他们的技术是否可以减少串扰。他们还希望通过微调制造过程，甚至用二维材料构建整个量子比特来提高量子比特的性能。

“现在我们已经扫清了一条道路，表明您可以安全地使用尽可能多的六方氮化硼，而不必过多担心缺陷。这为您提供了很多机会，您可以制造各种不同的异质结构并将其与微波电路，还有更多可以探索的空间。在某种程度上，我们为人们开了绿灯——你可以以任何你想要的方式使用这种材料，而不必过多担心与电介质相关的损耗”王说。