Krympende qubits til kvanteberegning med atomtynde materialer

For at kvantecomputere skal overgå deres klassiske modstykker i hastighed og kapacitet, skal deres qubits - som er superledende kredsløb, der kan eksistere i en uendelig kombination af binære tilstande - være på samme bølgelængde. At opnå dette er dog sket på bekostning af størrelse. Mens transistorerne brugt i klassiske computere er blevet skrumpet ned til nanometerskalaer, måles superledende qubits i disse dage stadig i millimeter - en millimeter er en million nanometer.

Kombiner qubits sammen til større og større kredsløbschips, og du ender relativt set med et stort fysisk fodaftryk, hvilket betyder, at kvantecomputere fylder meget fysisk. Det er endnu ikke enheder, vi kan bære i vores rygsække eller bære om vores håndled.

For at skrue ned for qubits og samtidig bevare deres ydeevne, har feltet brug for en ny måde at bygge de kondensatorer på, der lagrer den energi, der "forsyner" qubits. I samarbejde med Raytheon BBN Technologies demonstrerede Wang Fong-Jen-professor James Hones laboratorium ved Columbia Engineering for nylig en superledende qubit-kondensator bygget med 2D-materialer, der er en brøkdel af tidligere størrelser.

For at bygge qubit-chips tidligere har ingeniører været nødt til at bruge plane kondensatorer, som sætter de nødvendige ladede plader side om side. At stable disse plader ville spare plads, men de metaller, der bruges i konventionelle parallelle kondensatorer, forstyrrer qubit informationslagring. I det aktuelle værk, offentliggjort den 18. november i Nano Letters , Hone's Ph.D. eleverne Abhinandan Antony og Anjaly Rajendra lagde et isolerende lag bornitrid mellem to ladede plader af superledende niobiumdieselenid. Disse lag er hver kun et enkelt atom tykke og holdt sammen af ​​van der Waals-kræfter, den svage interaktion mellem elektroner. Holdet kombinerede derefter deres kondensatorer med aluminiumskredsløb for at skabe en chip, der indeholdt to qubits med et areal på 109 kvadratmikrometer og kun 35 nanometer tykt - det er 1.000 gange mindre end chips produceret under konventionelle metoder.

Da de kølede deres qubit-chip ned til lige over det absolutte nulpunkt, fandt qubits den samme bølgelængde. Holdet observerede også nøglekarakteristika, der viste, at de to qubits blev viklet ind og fungerede som en enkelt enhed, et fænomen kendt som kvantekohærens; det ville betyde, at qubit'ens kvantetilstand kunne manipuleres og udlæses via elektriske impulser, sagde Hone. Kohærenstiden var kort - lidt over 1 mikrosekund sammenlignet med omkring 10 mikrosekunder for en konventionelt bygget koplanar kondensator, men dette er kun et første skridt i at udforske brugen af ​​2D-materialer i dette område, sagde han.

Separat arbejde offentliggjort på arXiv i august fra forskere ved MIT udnyttede også niobiumdiselenid og bornitrid til at bygge parallelpladekondensatorer til qubits. De enheder, der blev undersøgt af MIT-teamet, viste endnu længere sammenhængstider - op til 25 mikrosekunder - hvilket indikerer, at der stadig er plads til at forbedre ydeevnen yderligere.
Herfra vil Hone og hans team fortsætte med at forfine deres fremstillingsteknikker og teste andre typer 2D-materialer for at øge kohærenstider, som afspejler, hvor længe qubit'en gemmer information. Nye enhedsdesigns skulle være i stand til at skrue endnu mere ned, sagde Hone, ved at kombinere elementerne i en enkelt van der Waals-stak eller ved at implementere 2D-materialer til andre dele af kredsløbet.

"Vi ved nu, at 2D-materialer kan være nøglen til at gøre kvantecomputere mulige," sagde Hone. "Det er stadig meget tidligt, men resultater som disse vil anspore forskere verden over til at overveje nye anvendelser af 2D-materialer. Vi håber at se meget mere arbejde i denne retning fremover." + Udforsk yderligere

IBM annoncerer udvikling af 127-qubit kvanteprocessor