量子计算机的未来以来：微小的二维材料导致量子计算的巨大进步
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微小的材料导致量子计算的巨大进步：使用超薄材料减小超导量子比特的尺寸可能为个人尺寸的量子设备铺平道路 。 麻省理工学院研究人员使用二维材料六方氮化硼为超导量子比特构建了更小的电容器 ， 使他们能够在不牺牲性能的情况下将量子比特的占地面积缩小两个数量级 。
量子计算机的未来以来：微小的二维材料导致量子计算的巨大进步
与经典计算机中的晶体管一样 ， 超导量子位是量子计算机的构建模块 。 然而 ， 虽然工程师们已经能够将晶体管缩小到纳米级 ， 但超导量子位仍然以毫米为单位 。 例如 ， 这是无法将实用的量子计算设备小型化到智能手机大小的原因之一 。
麻省理工学院的研究人员现在已经使用超薄材料来构建超导量子位 ， 其尺寸至少是传统设计的百分之一 ， 并且相邻量子位之间的干扰更少 。 这一进步可以提高量子计算机的性能 ， 并能够开发更小的量子设备 。
研究人员已经证明 ， 六方氮化硼是一种仅有几个单层原子组成的材料 ， 可以堆叠以在超导量子位上的电容器中形成绝缘体 。 这种无缺陷的材料使电容器比通常用于量子位的电容器小得多 ， 从而在不显着牺牲性能的情况下缩小了尺寸 。
量子计算机的未来以来：微小的二维材料导致量子计算的巨大进步
此外 ， 研究人员表明 ， 这些较小电容器的结构应该会大大减少串扰 ， 这种串扰发生在一个量子位无意中影响周围的量子位时 。
目前 ， 我们在一个设备中可能有 50 或 100 个量子比特 ， 但对于未来的实际应用 ， 我们将需要在一个设备中拥有数千或数百万个量子比特 。 因此 ， 缩小每个个体的大小将非常重要量子位 ， 同时避免了这数十万个量子位之间不必要的串扰 。 这是我们发现的极少数可用于这种结构的材料之一 。
Wang 的共同主要作者是 Megan Yamoah '20 ， 她是工程量子系统小组的前学生 ， 目前正在牛津大学获得罗德奖学金 。 塞西尔和艾达·格林物理学教授 Pablo Jarillo-Herrero 为通讯作者 ， 高级作者为电气工程和计算机科学与物理学教授、麻省理工学院林肯实验室研究员、该中心主任 William D. Oliver量子工程中心 ， 电子研究实验室副主任 。 该研究今天发表在《自然材料》上 。
量子计算机的未来以来：微小的二维材料导致量子计算的巨大进步
量子比特的困惑
超导量子比特是一种使用超导电路的特殊量子计算平台 ， 包含电感器和电容器 。 就像在收音机或其他电子设备中一样 ， 这些电容器存储电场能量 。 电容器通常像三明治一样建造 ， 在绝缘或电介质材料的两侧都有金属板 。
但与无线电不同的是 ， 超导量子计算机在超低温下运行——比绝对零高不到 0.02 度（-273.15 摄氏度）——并且具有非常高频的电场 ， 类似于今天的手机 。 在这种情况下工作的大多数绝缘材料都有缺陷 。 虽然对大多数经典应用无害 ， 但当量子相干信息通过介电层时 ， 它可能会以某种随机方式丢失或吸收 。
用于集成电路的大多数常见电介质 ， 例如氧化硅或氮化硅 ， 都存在许多缺陷 ， 导致品质因素约为 500 到 1000 。 这对于量子计算应用来说损耗太大了 。
为了解决这个问题 ， 传统的量子比特电容器更像是开放式三明治 ， 没有顶板 ， 底板上方有一个真空作为绝缘层 。
付出的代价是板要大得多 ， 因为你稀释了电场并为真空使用了更大的层 。 每个单独的量子位的大小将比你可以将所有东西包含在一个小型设备中要大得多 。 另一个问题是 ， 当你有两个彼此相邻的量子位时 ， 每个量子位都有自己的电场对自由开放空间 ， 它们之间可能会发生一些不必要的谈话 ， 这会使控制一个量子比特变得困难 。 人们很想回到电容器的最初想法 ， 它只是两个电板 ， 中间夹着一个非常干净的绝缘体之间 。
所以 ， 这就是这些研究人员所做的 。 l
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