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原子级薄材料显著缩小量子比特体积

麻省理工学院的研究人员使用二维材料制造量子电路中的电容，以推动量子处理器的规模化。

量子计算的挑战

量子计算是一项极其复杂的技术，其发展面临诸多技术障碍。其中两个关键问题尤为突出：微型化和量子比特质量。

某机构计划在2023年前实现包含1,121个量子比特的超导量子比特处理器，这表明以现有量子比特形态实现1,000个量子比特是可行的。然而，当前的方法将需要非常大的芯片（边长50毫米或更大，达到小晶圆的尺寸），或者需要在多芯片模块上使用芯粒。虽然这种方法可行，但目标是找到一条更好的可扩展性路径。

麻省理工的突破

现在，麻省理工学院的研究人员不仅减小了量子比特的尺寸，而且通过这种方式减少了相邻量子比特之间发生的串扰。研究人员将可以添加到设备上的超导量子比特数量提高了100倍。

“我们正在同时解决量子比特微型化和质量问题，”麻省理工学院量子工程中心主任William Oliver表示。“与传统晶体管缩放不同——那里只有数量重要——对于量子比特而言，光有大的数量是不够的，它们还必须具有高性能。牺牲性能来换取量子比特数量在量子计算中不是一个有用的权衡。两者必须齐头并进。”

技术核心：二维材料

实现量子比特密度大幅提升和干扰减少的关键在于使用二维材料，特别是二维绝缘体六方氮化硼。麻省理工学院的研究人员证明，几层原子厚度的六方氮化硼可以堆叠起来，形成超导量子比特电容器中的绝缘体。

与其他电容器一样，这些超导电路中的电容器采用三明治结构，绝缘材料夹在两个金属板之间。这些电容器的巨大不同之处在于，超导电路只能在极低的温度下工作——低于绝对零度以上0.02度（-273.15°C）。

在这种环境下，可用于此工作的绝缘材料，例如PE-CVD氧化硅或氮化硅，存在相当多的缺陷，对于量子计算应用来说损耗太大。为了克服这些材料缺陷，大多数超导电路使用所谓的共面电容器。在这些电容器中，极板并排放置，而不是上下堆叠。

因此，极板下方的本征硅衬底以及在较小程度上极板上方的真空充当了电容器电介质。本征硅化学纯度高，因此缺陷很少，并且较大的尺寸稀释了极板界面处的电场，所有这些都导致了低损耗电容器。为了获得所需的电容，这种开放式设计中每个极板的横向尺寸最终变得相当大（通常为100 x 100微米）。

新设计与制造挑战

为了摆脱这种大的横向配置，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极板兼容的绝缘体。

“我们选择研究六方氮化硼，因为它是二维材料研究中使用最广泛的绝缘体，因为它洁净且化学惰性，”该研究的共同第一作者、麻省理工学院电子学研究实验室工程量子系统组的研究科学家Joel Wang说。在六方氮化硼的两侧，研究人员使用了二维超导材料二硒化铌。

根据Wang的说法，制造这些电容器最棘手的方面之一是处理二硒化铌，这种材料在暴露于空气中时会在几秒钟内氧化。这要求电容器的组装必须在充满氩气的手套箱中进行。

虽然这似乎会使这些电容器的规模化生产复杂化，但Wang并不认为这是一个限制因素。

“决定电容器品质因数的是两种材料之间的两个界面，”Wang说。“一旦三明治结构制作完成，两个界面就被‘密封’了，当暴露在大气中时，我们没有观察到任何明显的随时间退化。”

这种缺乏退化的现象是因为大约90%的电场被包含在三明治结构内部，因此二硒化铌外表面的氧化不再起重要作用。这最终使得电容器的占地面积更小，并且这也是相邻量子比特之间串扰减少的原因。

“规模化制造的主要挑战将是六方氮化硼和二硒化铌等二维超导体的晶圆级生长，以及如何实现这些薄膜的晶圆级堆叠，”Wang补充道。

未来展望

Wang认为，这项研究已证明二维六方氮化硼是用于超导量子比特的优良绝缘体候选材料。他表示，麻省理工学院团队奠定的基础将为使用其他混合二维材料构建超导电路提供路线图。
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