Mažos medžiagos leidžia pasiekti didelę pažangą kvantinėje kompiuterijoje | MIT naujienos


Kaip ir klasikinio kompiuterio tranzistoriai, superlaidieji kubitai yra a statybiniai blokai kvantinis kompiuteris. Nors inžinieriai sugebėjo tranzistorius sumažinti iki nanometrų skalės, superlaidūs kubitai vis dar matuojami milimetrais. Tai yra viena iš priežasčių, kodėl, pavyzdžiui, praktinio kvantinio skaičiavimo įrenginio nepavyko sumažinti iki išmaniojo telefono dydžio.

MIT mokslininkai dabar panaudojo itin plonas medžiagas, kad sukurtų superlaidžius kubitus, kurie yra bent šimtoji įprastų konstrukcijų dydžio ir kenčia nuo mažesnių trukdžių tarp gretimų kubitų. Ši pažanga galėtų pagerinti kvantinių kompiuterių našumą ir sudaryti sąlygas kurti mažesnius kvantinius įrenginius.

Tyrėjai įrodė, kad šešiakampis boro nitridas, medžiaga, susidedanti tik iš kelių monosluoksnių atomų, gali būti sukrauta, kad būtų suformuotas izoliatorius kondensatoriuose ant superlaidžio kubito. Ši be defektų medžiaga leidžia naudoti kondensatorius, kurie yra daug mažesni nei tie, kurie paprastai naudojami kubituose, o tai sumažina jų plotą, neprarandant našumo.

Be to, mokslininkai rodo, kad šių mažesnių kondensatorių struktūra turėtų labai sumažinti kryžminį pokalbį, kuris atsiranda, kai vienas kubitas netyčia paveikia aplinkinius kubitus.

„Šiuo metu įrenginyje galime turėti gal 50 ar 100 kubitų, bet praktiniam naudojimui ateityje mums reikės tūkstančių ar milijonų kubitų įrenginyje. Taigi, bus labai svarbu sumažinti kiekvieno atskiro kubito dydį ir tuo pačiu išvengti nepageidaujamo kryžminio pokalbio tarp šių šimtų tūkstančių kubitų. Tai yra viena iš nedaugelio medžiagų, kurias radome ir kuri gali būti naudojama tokioms konstrukcijoms“, – sako vienas iš pirmaujančių autorių Joel Wang, MIT elektronikos tyrimų laboratorijos inžinerinių kvantinių sistemų grupės mokslininkas.

Wang bendraautorė yra Megan Yamoah ’20, buvusi inžinerinių kvantinių sistemų grupės studentė, šiuo metu studijuojanti Oksfordo universitete, gaudama Rodo stipendiją. Pablo Jarillo-Herrero, Cecil ir Ida Green fizikos profesorius, yra atitinkamas autorius, o vyresnysis autorius yra Williamas D. Oliveris, elektros inžinerijos ir informatikos bei fizikos profesorius, MIT Linkolno laboratorijos narys, MIT direktorius. Kvantinės inžinerijos centras ir Elektronikos tyrimų laboratorijos asocijuotas direktorius. Tyrimas paskelbtas šiandien Gamtos medžiagos.

Kubito nesklandumai

Superlaidžiuose kubituose, tam tikros rūšies kvantinio skaičiavimo platformoje, kurioje naudojamos superlaidžios grandinės, yra induktorių ir kondensatorių. Kaip ir radijuje ar kitame elektroniniame įrenginyje, šie kondensatoriai kaupia elektrinio lauko energiją. Kondensatorius dažnai statomas kaip sumuštinis, su metalinėmis plokštėmis abiejose izoliacinės arba dielektrinės medžiagos pusėse.

Tačiau skirtingai nei radijas, superlaidūs kvantiniai kompiuteriai veikia itin žemoje temperatūroje – mažiau nei 0,02 laipsnio virš absoliutaus nulio (-273,15 laipsnio Celsijaus) – ir turi labai aukšto dažnio elektrinius laukus, panašius į šiuolaikinius mobiliuosius telefonus. Dauguma izoliacinių medžiagų, veikiančių šiuo režimu, turi defektų. Nors tai nekenkia daugeliui klasikinių pritaikymų, kai kvantinė koherentinė informacija praeina per dielektrinį sluoksnį, ji gali pasimesti arba pasisavinti atsitiktiniu būdu.

„Dauguma integruotoms grandinėms naudojamų dielektrikų, tokių kaip silicio oksidai ar silicio nitridai, turi daug defektų, todėl kokybės koeficientai yra nuo 500 iki 1000. Tai tiesiog per daug nuostolinga kvantinio skaičiavimo programoms“, – sako Oliveris.

Norėdami tai išvengti, įprasti kubitiniai kondensatoriai yra labiau panašūs į atviro paviršiaus sumuštinius, kuriuose nėra viršutinės plokštės, o virš apatinės plokštės yra vakuumas, kuris veiktų kaip izoliacinis sluoksnis.

„Mokama kaina yra ta, kad plokštės yra daug didesnės, nes praskiedžiate elektrinį lauką ir vakuumui naudojate daug didesnį sluoksnį“, – sako Wang. „Kiekvieno atskiro kubito dydis bus daug didesnis nei tuo atveju, jei viską talpinsite mažame įrenginyje. Ir kita problema yra ta, kad kai turite du kubitus vienas šalia kito ir kiekvienas kubitas turi savo elektrinį lauką, atvirą laisvai erdvei, tarp jų gali kilti nepageidaujamų pokalbių, dėl kurių gali būti sunku valdyti tik vieną kubitą. Norėtųsi grįžti prie pačios originalios kondensatoriaus idėjos, kuri yra tik dvi elektrinės plokštės, tarp kurių yra labai švarus izoliatorius.

Taigi, tai padarė šie tyrinėtojai.

Jie manė, kad šešiakampis boro nitridas, kuris yra iš šeimos, žinomos kaip van der Waals medžiagos (taip pat vadinamos 2D medžiagomis), būtų geras kandidatas statyti kondensatorių. Ši unikali medžiaga gali būti suploninta iki vieno atomų sluoksnio, kuris yra kristalinės struktūros ir neturi defektų. Tada mokslininkai gali sukrauti tuos plonus sluoksnius norimomis konfigūracijomis.

Norėdami išbandyti šešiakampį boro nitridą, jie atliko eksperimentus, siekdami apibūdinti medžiagos švarą, kai ji sąveikauja su aukšto dažnio elektriniu lauku esant itin šaltai temperatūrai, ir nustatė, kad prarandama labai mažai energijos, kai ji praeina per medžiagą.

„Didžioji dalis ankstesnių darbų, apibūdinančių hBN (šešiakampį boro nitridą), buvo atlikta nuliniu dažniu arba beveik nuliui, naudojant nuolatinės srovės transportavimo matavimus. Tačiau kubitai veikia gigahercų režimu. Puiku matyti, kad hBN kondensatorių kokybės koeficientai viršija 100 000 šiais dažniais, tarp aukščiausių Q, kokius mačiau litografiškai apibrėžtiems integruotiems lygiagrečių plokščių kondensatoriams“, – sako Oliveris.

Kondensatoriaus konstrukcija

Jie naudojo šešiakampį boro nitridą, kad sukurtų lygiagrečią kubito kondensatorių. Norėdami pagaminti kondensatorių, jie įterpė šešiakampį boro nitridą tarp labai plonų kitos van der Waals medžiagos, niobio diselenido, sluoksnių.

Sudėtingas gamybos procesas apėmė vieno atomo storio medžiagų sluoksnių paruošimą po mikroskopu, o po to lipniu polimeru kiekvieną sluoksnį sugriebti ir sukrauti ant kito. Jie įdėjo lipnų polimerą su 2D medžiagų krūva ant kubito grandinės, tada ištirpdė polimerą ir nuplovė.

Tada jie prijungė kondensatorių prie esamos konstrukcijos ir atvėsino kubitą iki 20 milikelvinų (-273,13 C).

„Vienas didžiausių gamybos proceso iššūkių yra darbas su niobio diselenidu, kuris, jei bus veikiamas oru, oksiduos per kelias sekundes. Norint to išvengti, visas šios konstrukcijos surinkimas turi būti atliekamas taip, kaip mes vadiname pirštinių dėže, kuri yra didelė dėžutė, užpildyta argonu, kuris yra inertinės dujos, kuriose yra labai mažas deguonies kiekis. Turime padaryti viską šioje dėžutėje“, – sako Wang.

Gautas kubitas yra maždaug 100 kartų mažesnis už tą, kurį jie padarė naudojant tradicinius metodus toje pačioje lustoje. Dėl naujo dizaino kubito darnos laikas arba gyvavimo laikas yra tik keliomis mikrosekundėmis trumpesnis. Kondensatoriai, pagaminti iš šešiakampio boro nitrido, turi daugiau nei 90 procentų elektrinio lauko tarp viršutinės ir apatinės plokščių, o tai rodo, kad jie žymiai slopins gretimų kubitų ryšį, sako Wang. Šis darbas papildo naujausią Kolumbijos universiteto ir Raytheono komandos atliktas tyrimas.

Ateityje mokslininkai nori naudoti šį metodą, norėdami sukurti daug kubitų lustoje, kad patikrintų, ar jų technika sumažina kryžminį pokalbį. Jie taip pat nori pagerinti kubito našumą tiksliai suderindami gamybos procesą arba net sukurdami visą kubitą iš 2D medžiagų.

„Dabar mes išvalėme kelią, kad parodytume, jog galite saugiai naudoti tiek šešiakampio boro nitrido, kiek norite, per daug nesijaudindami dėl defektų. Tai atveria daug galimybių, kai galite sukurti įvairias heterostruktūras ir sujungti jas su mikrobangų krosnelės grandine, be to, yra daug daugiau erdvės, kurią galite ištirti. Tam tikra prasme mes suteikiame žmonėms žalią šviesą – galite naudoti šią medžiagą bet kokiu būdu, per daug nesijaudindami dėl nuostolių, susijusių su dielektriku“, – sako Wang.

Šį tyrimą iš dalies finansavo JAV armijos tyrimų biuras, Nacionalinis mokslo fondas ir gynybos sekretoriaus padėjėjas tyrimams ir inžinerijai per MIT Linkolno laboratoriją.