量子比特大突破！原子薄材料成为“救世主”

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量子计算是一项极其复杂的技术，现阶段的一些挑战正严重阻碍着它的发展，尤其是量子比特的小型化和质量问题。

IBM计划在2023年实现具有1121个超导量子比特的处理器。以目前的技术手段，要达到这个目标将需要非常大的芯片（边长至少为50毫米）或者在多芯片模块上使用小芯片来实现更好的可扩展性。

最近，麻省理工学院的研究人员表示，已经能在减少相邻量子比特之间发生干扰的同时减小量子比特的大小，这将可以添加到设备上的超导量子比特的数量增加到了原来的100倍。

麻省理工学院量子工程中心主任William Oliver说：“我们正在解决量子比特的小型化和质量问题。对于传统的晶体管缩放来说数量是最重要的，但对于量子比特来说仅有数量是不够的，它们还必须是高性能的。在量子计算中，单纯追求数量而忽视性能并不可取，二者必须齐头并进。”

想要大幅增加量子比特密度并减少干扰的关键在于二维材料的使用，特别是二维绝缘体六方氮化硼（hBN）。麻省理工学院的研究人员证明，一些hBN原子单层可以堆叠起来，形成超导量子比特电容器中的绝缘体。

和其他电容器一样，这些超导电路中的电容器像三明治一样把其中的绝缘体材料夹在两个金属板之间。它们的最大区别在于：超导电路只能在极低的温度下工作，这个工作环境比绝对零度（-273.15°C）只高了不到0.02°C。

在稀释制冷机低至20毫开尔文的温度下测量超导量子比特。（图片来源：网络）

在这种环境中，可用于工作的绝缘材料（如PE-CVD氧化硅或氮化硅）具有相当多的缺陷，不利于量子计算的应用。为了解决这些材料的短板，大多数超导电路使用所谓的共面电容器。在这些电容器中，极板彼此横向放置，而不是重叠放置。但在这样的开放式设计中，每个板的横向尺寸都相当大（通常为100 x 100微米），以实现所需的电容并降低电容器的损耗。

为了摆脱大型横向配置，麻省理工学院的研究人员开始寻找一种缺陷很少且与超导电容器板兼容的绝缘体。而hBN作为2D材料研究中使用最广泛的绝缘体，具有清洁度和化学惰性，成为了超导量子比特的良好绝缘材料。

在hBN的两侧，研究人员使用了2D超导材料二硒化铌。因为它暴露在空气中会在几秒内氧化，所以需要在充满氩气的手套箱中进行电容器的组装。这可能会使扩大这些电容器的生产变得更复杂，但实际上大约有90%的电场包含在夹层结构中，因此二硒化铌外表面的氧化不会产生影响。采用2D超导材料可以大大减小电容器的占位面积，同时减少相邻量子比特之间的串扰。

这项研究为使用其他混合2D材料构建超导电路打下了基础。麻省理工学院电子研究实验室工程量子系统小组的研究科学家Joel Wang表示：“扩大制造规模的主要挑战将是hBN和2D超导体（如二硒化铌）的晶圆级增长，以及如何对这些薄膜进行晶圆级堆叠。”

编译：颖茜

编辑：慕一