二维材料突破使量子比特体积缩小百倍

麻省理工学院研究人员使用二维材料构建量子电路中的电容器，旨在实现处理器规模化。

量子计算是一项极其复杂的技术，存在许多影响其发展的技术障碍。在这些挑战中，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1,121量子比特处理器的超导量子比特路线图，这表明以当前量子比特形态实现1,000量子比特是可行的。然而，现有方法需要采用非常大（边长50毫米或更大）的芯片（相当于小晶圆尺寸），或在多芯片模块上使用芯粒。虽然这种方法可行，但目标是找到更好的可扩展性路径。

麻省理工学院的研究人员不仅成功缩小了量子比特尺寸，还减少了相邻量子比特之间的干扰。研究人员将设备上可添加的超导量子比特数量提高了100倍。

“我们同时解决了量子比特微型化和质量两个问题，”某中心量子工程中心主任表示。“与传统晶体管缩放仅关注数量不同，量子比特不仅需要大量数量，还必须具备高性能。在量子计算中，牺牲性能换取数量不是有用的权衡，二者必须同步推进。”

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（hBN）。研究人员证明，可以用几层原子厚度的hBN堆叠形成超导量子比特电容器中的绝缘层。

与其他电容器类似，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温度下运行——仅比绝对零度（-273.15°C）高0.02度。

在这种环境下，可用的绝缘材料（如PE-CVD氧化硅或氮化硅）存在大量缺陷，对量子计算应用来说损耗过大。为了克服这些材料缺陷，大多数超导电路使用共面电容器。在这些电容器中，极板横向排列，而不是上下堆叠。

因此，极板下方的本征硅衬底和极板上方的真空（程度较小）充当电容器电介质。本征硅化学纯度髙，缺陷少，且大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。在这种开放式设计中，每个极板的横向尺寸最终变得非常大（通常为100×100微米），以实现所需的电容。

为了摆脱大的横向配置，研究人员开始寻找一种缺陷极少且与超导电容极板兼容的绝缘体。

“我们选择研究hBN，因为它是二维材料研究中最广泛使用的绝缘体，具有高洁净度和化学惰性，”某机构研究实验室电子学工程量子系统组研究科学家、共同第一作者表示。

在hBN的两侧，研究人员使用了二维超导材料二硒化铌。根据介绍，制造电容器最棘手的方面是处理二硒化铌，这种材料在暴露于空气中几秒钟就会氧化。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生产规模化复杂化，但研究人员不认为这是限制因素。

“决定电容器品质因数的是两种材料之间的两个界面，”研究人员表示。“一旦三明治结构制成，两个界面就被‘密封’，暴露在大气中时我们没有观察到随时间推移的明显降解。”

这种缺乏降解的原因在于约90%的电场包含在三明治结构内，因此二硒化铌外表面的氧化不再起重要作用。这最终使电容器占地面积更小，并减少了相邻量子比特之间的串扰。

“规模化制造的主要挑战将是hBN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，”研究人员补充道。

研究人员认为，这项研究已证明二维hBN是超导量子比特的良好绝缘体候选材料。表示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。