Les matériaux atomiquement minces réduisent considérablement les qubits

Calcul quantique est une technologie diaboliquement complexe, avec de nombreux obstacles techniques ayant un impact sur son développement. De ces défis, deux problèmes critiques se distinguent: miniaturisation et qualité qubit.

Ibm a adopté le supraconducteur Carte routière qubit de Atteindre un processeur de 1 121 qubit d’ici 2023conduisant à l’attente que 1 000 qubits avec le facteur de forme qubit d’aujourd’hui est possible. Cependant, les approches actuelles nécessiteront de très grandes puces (50 millimètres sur un côté ou plus) à l’échelle des petites plaquettes, ou l’utilisation de chiplet Sur les modules MultiHIP. Bien que cette approche fonctionnera, l’objectif est d’obtenir une meilleure voie vers l’évolutivité.

Maintenant chercheurs à Le MIT a pu réduire la taille des qubits et l’a fait d’une manière qui réduit l’interférence qui se produit entre les qubits voisins. Les chercheurs du MIT ont augmenté le nombre de Qubits supraconducteurs Cela peut être ajouté à un appareil par un facteur de 100.

« Nous abordons à la fois la miniaturisation et la qualité du qubit », a déclaré William Oliverle directeur de la Centre d’ingénierie quantique au MIT. «Contrairement à la mise à l’échelle des transistors conventionnels, où seul le nombre est vraiment important, pour les qubits, un grand nombre ne sont pas suffisants, ils doivent également être des performances élevées. Sacrifier les performances pour le nombre de qubit n’est pas un échange utile de calcul quantique. Ils doivent aller de pair.»

La clé de cette grande augmentation de la densité de qubit et la réduction de l’interférence se résume à l’utilisation de matériaux bidimensionnels, en particulier le nitrure de bore hexagonal isolant 2D (HBN). Les chercheurs du MIT ont démontré que quelques monocouches atomiques de HBN peuvent être empilées pour former l’isolateur dans le condensateurs d’un qubit supraconducteur.

Tout comme les autres condensateurs, les condensateurs de ces circuits supraconducteurs prennent la forme d’un sandwich dans lequel un matériau isolant est pris en sandwich entre deux plaques métalliques. La grande différence pour ces condensateurs est que les circuits supraconducteurs ne peuvent fonctionner qu’à des températures extrêmement basses – moins de 0,02 degrés au-dessus du zéro absolu (-273,15 ° C).

Les qubits supraconducteurs sont mesurés à des températures aussi basses que 20 millikelvin dans un réfrigérateur de dilution.Nathan Fiske / MIT

Dans cet environnement, les matériaux isolants disponibles pour le travail, comme PE-CVD oxyde de silicium ou le nitrure de silicium, ont pas mal de défauts trop pertes pour les applications informatiques quantiques. Pour contourner ces lacunes de matériaux, la plupart des circuits supraconducteurs utilisent ce qu’on appelle les condensateurs coplanaires. Dans ces condensateurs, les plaques sont positionnées latéralement les unes aux autres, plutôt que les uns des autres.

En conséquence, le substrat de silicium intrinsèque sous les plaques et, dans une plus petite mesure, le vide au-dessus des plaques sert de condensateur diélectrique. Le silicium intrinsèque est chimiquement pur et a donc peu de défauts, et la grande taille dilue le champ électrique aux interfaces de plaque, ce qui conduit à un condensateur à faible perte. La taille latérale de chaque plaque dans cette conception ouverte finit par être assez grande (généralement de 100 sur 100 micromètres) afin d’atteindre la capacité requise.

Dans un effort pour s’éloigner de la grande configuration latérale, les chercheurs du MIT ont lancé une recherche d’un isolant qui a très peu de défauts et est compatible avec les plaques de condensateur supraconductrices.

« Nous avons choisi d’étudier HBN car il s’agit de l’isolateur le plus utilisé dans la recherche sur les matériaux 2D en raison de sa propreté et de son inertie chimique », a déclaré Colead auteur Joel Wangun chercheur scientifique dans le groupe de systèmes quantiques d’ingénierie du MIT Research Laboratory for Electronics.

De chaque côté du HBN, les chercheurs du MIT ont utilisé le matériau supraconducteur 2D, niobium déséléniure. Selon Wang, l’un des aspects les plus délicats de la fabrication des condensateurs a été de travailler avec le désélénide de niobium, qui s’oxyde en quelques secondes lorsqu’il est exposé à l’air, selon Wang. Cela nécessite que l’assemblage du condensateur se produise dans une boîte à gants remplie de gaz argon.

Bien que cela complique apparemment l’échelle de la production de ces condensateurs, Wang ne considère pas cela comme un facteur limitant.

« Ce qui détermine le facteur de qualité du condensateur, ce sont les deux interfaces entre les deux matériaux », a déclaré Wang. « Une fois le sandwich fait, les deux interfaces sont« scellées »et nous ne voyons aucune dégradation notable au fil du temps lorsqu’elle est exposée à l’atmosphère.»

Ce manque de dégradation est dû au fait qu’environ 90% du champ électrique est contenu dans la structure sandwich, donc le oxydation de la surface externe du désélénide de niobium ne joue plus un rôle significatif. Cela rend finalement l’empreinte du condensateur beaucoup plus faible, et cela explique la réduction de la contrepartie entre les Qubits voisins.

«Le principal défi pour la mise à l’échelle de la fabrication sera la croissance à l’échelle de la tranche de HBN et 2D supraconducteurs Comme (désélénide de niobium), et comment on peut faire un empilement à l’échelle de la tranche de ces films », a ajouté Wang.

Wang estime que cette recherche a montré que le HBN 2D était un bon candidat isolant pour les qubits supraconducteurs. Il dit que les bases de l’équipe du MIT serviront de feuille de route pour utiliser d’autres hybrides Matériaux 2D pour construire des circuits supraconducteurs.