Материалы, обладающие атомарной тонкостью, значительно уменьшают размеры кубитов.

Квантовые вычисления — это невероятно сложная технология, развитие которой сопряжено со множеством технических препятствий. Среди этих проблем особенно выделяются две критически важные: миниатюризация и качество кубитов.

Компания IBM приняла план развития сверхпроводящих кубитов, предусматривающий создание процессора с 1121 кубитом к 2023 году, что позволяет предположить возможность создания 1000 кубитов в современных форм-факторах. Однако существующие подходы потребуют очень больших чипов (50 миллиметров с каждой стороны или больше) размером с небольшие кремниевые пластины или использования чиплетов на многочиповых модулях. Хотя такой подход и будет работать, цель состоит в том, чтобы найти более эффективный путь к масштабируемости.

Теперь исследователям из Массачусетского технологического института удалось уменьшить размер кубитов и сделать это таким образом, чтобы снизить интерференцию между соседними кубитами. Исследователи из MIT увеличили количество сверхпроводящих кубитов, которые можно добавить в устройство, в 100 раз.

«Мы решаем как проблему миниатюризации кубитов, так и проблему их качества», — сказал Уильям Оливер, директор Центра квантовой инженерии в Массачусетском технологическом институте. «В отличие от традиционного масштабирования транзисторов, где имеет значение только количество, для кубитов большого количества недостаточно, они также должны обладать высокой производительностью. Жертвовать производительностью ради количества кубитов — невыгодный компромисс в квантовых вычислениях. Они должны идти рука об руку».

Ключ к такому значительному увеличению плотности кубитов и снижению интерференции заключается в использовании двумерных материалов, в частности, двумерного изолятора — гексагонального нитрида бора (hBN). Исследователи из Массачусетского технологического института продемонстрировали, что несколько атомных монослоев hBN можно укладывать друг на друга, образуя изолятор в конденсаторах сверхпроводящего кубита.

Как и другие конденсаторы, конденсаторы в этих сверхпроводящих схемах имеют форму «сэндвича», в котором изоляционный материал находится между двумя металлическими пластинами. Главное отличие этих конденсаторов заключается в том, что сверхпроводящие схемы могут работать только при чрезвычайно низких температурах — менее 0,02 градуса выше абсолютного нуля (-273,15 °C).

Сверхпроводящие кубиты измеряются при температурах всего 20 милликельвинов в криостате с разбавлением. (Натан Фиск/MIT)

В таких условиях доступные для этой задачи изоляционные материалы, такие как оксид кремния, полученный методом PE-CVD, или нитрид кремния, имеют довольно много дефектов, которые приводят к слишком большим потерям для применения в квантовых вычислениях. Чтобы обойти эти недостатки материалов, в большинстве сверхпроводящих схем используются так называемые копланарные конденсаторы. В этих конденсаторах пластины расположены горизонтально друг относительно друга, а не друг над другом.

В результате, в качестве диэлектрика конденсатора используется собственная кремниевая подложка под пластинами и, в меньшей степени, вакуум над пластинами. Собственный кремний химически чист и, следовательно, имеет мало дефектов, а большой размер ослабляет электрическое поле на границах раздела пластин, что в совокупности приводит к низким потерям в конденсаторе. Боковой размер каждой пластины в этой конструкции с открытой поверхностью оказывается довольно большим (обычно 100 на 100 микрометров) для достижения требуемой емкости.

Стремясь отойти от крупной боковой конфигурации, исследователи из Массачусетского технологического института приступили к поиску изолятора, имеющего очень мало дефектов и совместимого с пластинами сверхпроводящих конденсаторов.

«Мы выбрали для исследования hBN, потому что это наиболее широко используемый изолятор в исследованиях двумерных материалов благодаря своей чистоте и химической инертности», — сказал соавтор исследования Джоэл Ванг, научный сотрудник группы инженерных квантовых систем Лаборатории электроники Массачусетского технологического института.

По обе стороны от hBN исследователи из MIT использовали двумерный сверхпроводящий материал — диселенид ниобия. По словам Ванга, одним из самых сложных аспектов изготовления конденсаторов была работа с диселенидом ниобия, который окисляется за секунды при контакте с воздухом. Это требует, чтобы сборка конденсатора происходила в перчаточном боксе, заполненном аргоном.

Хотя это, казалось бы, может осложнить масштабирование производства этих конденсаторов, Ван не считает это ограничивающим фактором.

«Что определяет добротность конденсатора, так это два интерфейса между двумя материалами», — сказал Ван. «После того, как «сэндвич» сформирован, два интерфейса «герметизированы», и мы не наблюдаем заметного ухудшения характеристик со временем при воздействии атмосферы».

Отсутствие деградации объясняется тем, что около 90 процентов электрического поля сосредоточено внутри сэндвич-структуры, поэтому окисление внешней поверхности диселенида ниобия больше не играет существенной роли. В конечном итоге это значительно уменьшает площадь, занимаемую конденсатором, и объясняет снижение перекрестных помех между соседними кубитами.

«Главной проблемой при масштабировании производства станет выращивание hBN и двумерных сверхпроводников, таких как [диселенид ниобия], в масштабах подложки, а также то, как можно будет осуществлять многослойное нанесение этих пленок в масштабах подложки», — добавил Ван.

Ван считает, что это исследование показало, что двумерный hBN является хорошим кандидатом в качестве изолятора для сверхпроводящих кубитов. Он говорит, что работа, проделанная командой из MIT, послужит дорожной картой для использования других гибридных двумерных материалов для создания сверхпроводящих схем.