原子的に薄い物質は量子ビットを大幅に縮小する

量子コンピューティングは非常に複雑なテクノロジーであり、多くの技術的障害がその開発を妨げています。これらの課題の中で、小型化と量子ビットの品質という 2 つの重要な問題が際立っています。

IBMは、2023年までに1,121量子ビットのプロセッサーに到達するという超伝導量子ビットのロードマップを採用し、今日の量子ビットのフォームファクターで1,000量子ビットが可能であることを期待しています。しかし、現在のアプローチでは、小さなウェーハ規模の非常に大きなチップ (一辺が 50 ミリメートル以上)、またはマルチチップ モジュールでのチップレットの使用が必要になります。このアプローチは機能しますが、目的は、スケーラビリティへのより良い道を達成することです。

現在、MIT の研究者は、隣接する量子ビット間の干渉を最小限に抑える方法で量子ビットのサイズを縮小することができました。 MITの研究者らは、単一デバイス上で組み合わせることができる超伝導量子ビットの数を100倍に増やした。

「私たちは量子ビットの小型化と品質の両方に取り組んでいます」とMIT量子工学センター所長のウィリアム・オリバー氏は語った。 「実際に数だけが重要となる従来のトランジスタのスケーリングとは異なり、量子ビットの場合、数が大きいだけでは十分ではなく、より高いパフォーマンスも必要です。量子ビット数のパフォーマンスを犠牲にすることは、量子コンピューティングにおいて有用なトレードオフではありません。それらは両立する必要があります。」

この量子ビット密度の大幅な増加と干渉の低減の鍵は、二次元材料、特に二次元絶縁体六方晶窒化ホウ素 (hBN) の使用にあります。 MITの研究者らは、hBNの原子単層をいくつか積層して、超伝導量子ビットのコンデンサーに絶縁体を形成できることを実証した。

他のコンデンサと同様に、これらの超電導回路のコンデンサは、2 枚の金属板の間に絶縁体材料が挟まれたサンドイッチ構造の形をしています。これらのコンデンサの大きな違いは、超電導回路が絶対零度 (摂氏 -273.15 度) より 0.02 度未満の極低温でのみ動作できることです。

超伝導量子ビットは、20ミリケルビンという低い温度の希釈冷凍機内で測定されます。ネイサン・フィスク/MIT

その環境では、PE-CVD 酸化シリコンや窒化シリコンなどの使用可能な絶縁材料には、量子コンピューティングのアプリケーションにとって非常に有害な欠陥がいくつかあります。これらの物理的な欠点を克服するために、ほとんどの超電導回路はコプレーナ コンデンサと呼ばれるものを使用します。これらのコンデンサでは、プレートは互いの上ではなく、互いの側面に配置されます。

その結果、プレートの下の内部シリコン基板と、程度は低いですがプレート上の真空コンデンサが誘電体として機能します。内部シリコンは化学的に純粋であるため欠陥がほとんどなく、サイズが大きいためプレート界面の電界が弱まり、低損失コンデンサが得られます。このオープンフェイス設計では、必要な静電容量を実現するために、各プレートの横サイズが大きくなります (通常は 100 x 100 マイクロメートル)。

大きな横方向の構成から脱却するために、MIT の研究者は、欠陥がほとんどなく、超電導コンデンサのプレートと互換性のある絶縁体の探索を開始しました。

「私たちが hBN を研究することを選んだのは、hBN がその清浄さと化学的不活性さにより 2D 材料研究で最も広く使用されている絶縁体であるためです」と、共著者で MIT 電子研究所の工学量子システム グループの研究員ジョエル ワン氏は述べています。

MITの研究者らは、hBNの両側に2D超伝導材料である二セレン化ニオブを使用した。ワン氏によると、コンデンサーの製造で最も注意が必要な点の 1 つは、空気にさらされると数秒以内に酸化する二セレン化ニオブを扱うことでした。これには、コンデンサ アセンブリをアルゴン ガスで満たされたグローブ ボックス内に置く必要があります。

これにより、これらのコンデンサの製造が複雑になるように思われますが、Wang 氏はこれが制限要因であるとは考えていません。

「コンデンサの品質係数は、2 つの材料間の 2 つの界面によって決まります」と Wang 氏は述べています。 「サンドイッチが作られると、両方の界面が「密閉」され、環境にさらされても時間の経過とともに目立った劣化は見られません。」

この腐食の欠如は、電界の約 90% がサンドイッチ構造内に含まれているため、二セレン化ニオブの外表面の酸化が重要な役割を果たさなくなったためです。これにより、最終的にはコンデンサの設置面積が大幅に小さくなり、隣接する量子ビット間のクロストークが減少します。

「製造をスケールアップするための主な課題は、hBN と 2D 超電導体のウェーハスケールの成長です。 [niobium diselenide]そして、どうすればこれらの膜をウェハスケールで積層できるのでしょうか」とワン氏は語った。

Wang 氏は、この研究により 2D hBN が超伝導量子ビットの優れた絶縁体候補であることが示されたと考えています。彼は、MIT チームが行った画期的な研究は、他のハイブリッド 2D 材料を使用して超電導回路を作成するためのロードマップとして役立つだろうと述べています。