量子計(jì)算是一項(xiàng)極其復(fù)雜的技術(shù)，現(xiàn)階段的一些挑戰(zhàn)正嚴(yán)重阻礙著它的發(fā)展，尤其是量子比特的小型化和質(zhì)量問(wèn)題。

IBM計(jì)劃在2023年實(shí)現(xiàn)具有1121個(gè)超導(dǎo)量子比特的處理器。以目前的技術(shù)手段，要達(dá)到這個(gè)目標(biāo)將需要非常大的芯片（邊長(zhǎng)至少為50毫米）或者在多芯片模塊上使用小芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)更好的可擴(kuò)展性。

最近，麻省理工學(xué)院的研究人員表示，已經(jīng)能在減少相鄰量子比特之間發(fā)生干擾的同時(shí)減小量子比特的大小，這將可以添加到設(shè)備上的超導(dǎo)量子比特的數(shù)量增加到了原來(lái)的100倍。

麻省理工學(xué)院量子工程中心主任William Oliver說(shuō)：“我們正在解決量子比特的小型化和質(zhì)量問(wèn)題。對(duì)于傳統(tǒng)的晶體管縮放來(lái)說(shuō)數(shù)量是最重要的，但對(duì)于量子比特來(lái)說(shuō)僅有數(shù)量是不夠的，它們還必須是高性能的。在量子計(jì)算中，單純追求數(shù)量而忽視性能并不可取，二者必須齊頭并進(jìn)?！?/p>

想要大幅增加量子比特密度并減少干擾的關(guān)鍵在于二維材料的使用，特別是二維絕緣體六方氮化硼（hBN）。麻省理工學(xué)院的研究人員證明，一些hBN原子單層可以堆疊起來(lái)，形成超導(dǎo)量子比特電容器中的絕緣體。

和其他電容器一樣，這些超導(dǎo)電路中的電容器像三明治一樣把其中的絕緣體材料夾在兩個(gè)金屬板之間。它們的最大區(qū)別在于：超導(dǎo)電路只能在極低的溫度下工作，這個(gè)工作環(huán)境比絕對(duì)零度（-273.15°C）只高了不到0.02°C。

在這種環(huán)境中，可用于工作的絕緣材料（如PE-CVD氧化硅或氮化硅）具有相當(dāng)多的缺陷，不利于量子計(jì)算的應(yīng)用。為了解決這些材料的短板，大多數(shù)超導(dǎo)電路使用所謂的共面電容器。在這些電容器中，極板彼此橫向放置，而不是重疊放置。但在這樣的開(kāi)放式設(shè)計(jì)中，每個(gè)板的橫向尺寸都相當(dāng)大（通常為100 x 100微米），以實(shí)現(xiàn)所需的電容并降低電容器的損耗。

為了擺脫大型橫向配置，麻省理工學(xué)院的研究人員開(kāi)始尋找一種缺陷很少且與超導(dǎo)電容器板兼容的絕緣體。而hBN作為2D材料研究中使用最廣泛的絕緣體，具有清潔度和化學(xué)惰性，成為了超導(dǎo)量子比特的良好絕緣材料。

在hBN的兩側(cè)，研究人員使用了2D超導(dǎo)材料二硒化鈮。因?yàn)樗┞对诳諝庵袝?huì)在幾秒內(nèi)氧化，所以需要在充滿(mǎn)氬氣的手套箱中進(jìn)行電容器的組裝。這可能會(huì)使擴(kuò)大這些電容器的生產(chǎn)變得更復(fù)雜，但實(shí)際上大約有90%的電場(chǎng)包含在夾層結(jié)構(gòu)中，因此二硒化鈮外表面的氧化不會(huì)產(chǎn)生影響。采用2D超導(dǎo)材料可以大大減小電容器的占位面積，同時(shí)減少相鄰量子比特之間的串?dāng)_。

這項(xiàng)研究為使用其他混合2D材料構(gòu)建超導(dǎo)電路打下了基礎(chǔ)。麻省理工學(xué)院電子研究實(shí)驗(yàn)室工程量子系統(tǒng)小組的研究科學(xué)家Joel Wang表示：“擴(kuò)大制造規(guī)模的主要挑戰(zhàn)將是hBN和2D超導(dǎo)體（如二硒化鈮）的晶圓級(jí)增長(zhǎng)，以及如何對(duì)這些薄膜進(jìn)行晶圓級(jí)堆疊?！?/p>

編譯：穎茜

編輯：慕一