Krimpende qubits voor quantum computing met atoomdunne materialen

Willen kwantumcomputers hun klassieke tegenhangers in snelheid en capaciteit overtreffen, dan moeten hun qubits – dit zijn supergeleidende circuits die in een oneindige combinatie van binaire toestanden kunnen bestaan ​​- op dezelfde golflengte zitten. Dit bereiken ging echter ten koste van de omvang. Terwijl de transistors die in klassieke computers worden gebruikt, zijn verkleind tot nanometerschalen, worden supergeleidende qubits tegenwoordig nog steeds gemeten in millimeters – één millimeter is één miljoen nanometer.

Combineer qubits samen tot grotere en grotere circuitchips, en je krijgt relatief gezien een grote fysieke voetafdruk, wat betekent dat kwantumcomputers veel fysieke ruimte in beslag nemen. Dit zijn nog geen apparaten die we in onze rugzakken of om onze polsen kunnen dragen.

Om qubits te verkleinen met behoud van hun prestaties, heeft het veld een nieuwe manier nodig om de condensatoren te bouwen die de energie opslaan die de qubits “aandrijft”. In samenwerking met Raytheon BBN Technologies heeft het laboratorium van Wang Fong-Jen Professor James Hone bij Columbia Engineering onlangs een supergeleidende qubit-condensator gedemonstreerd die is gebouwd met 2D-materialen die een fractie is van eerdere afmetingen.

Om eerder qubit-chips te bouwen, moesten ingenieurs vlakke condensatoren gebruiken, die de benodigde geladen platen naast elkaar zetten. Het stapelen van die platen zou ruimte besparen, maar de metalen die in conventionele parallelle condensatoren worden gebruikt, interfereren met de opslag van qubit-informatie. In het huidige werk, gepubliceerd op 18 november in Nano-letters, Hone’s Ph.D. studenten Abhinandan Antony en Anjaly Rajendra plaatsten een isolerende laag boornitride tussen twee geladen platen van supergeleidend niobium dieselenide. Deze lagen zijn elk slechts één atoom dik en worden bij elkaar gehouden door van der Waals-krachten, de zwakke interactie tussen elektronen. Het team combineerde vervolgens hun condensatoren met aluminium circuits om een ​​chip te maken met twee qubits met een oppervlakte van 109 vierkante micrometer en slechts 35 nanometer dik – dat is 1000 keer kleiner dan chips die met conventionele benaderingen worden geproduceerd.

Toen ze hun qubit-chip afkoelden tot net boven het absolute nulpunt, vonden de qubits dezelfde golflengte. Het team observeerde ook belangrijke kenmerken die aantoonden dat de twee qubits verstrengeld raakten en als een enkele eenheid werkten, een fenomeen dat bekend staat als kwantumcoherentie; dat zou betekenen dat de kwantumtoestand van de qubit kan worden gemanipuleerd en uitgelezen via elektrische pulsen, zei Hone. De coherentietijd was kort – iets meer dan 1 microseconde, vergeleken met ongeveer 10 microseconden voor een conventioneel gebouwde coplanaire condensator, maar dit is slechts een eerste stap in het verkennen van het gebruik van 2D-materialen op dit gebied, zei hij.

Afzonderlijk werk gepubliceerd op arXiv in augustus van onderzoekers van MIT maakten ook gebruik van niobiumdiselenide en boornitride om parallelle-plaatcondensatoren voor qubits te bouwen. De apparaten die door het MIT-team zijn bestudeerd, vertoonden zelfs langere coherentietijden – tot 25 microseconden – wat aangeeft dat er nog ruimte is om de prestaties verder te verbeteren.

Vanaf hier zullen Hone en zijn team hun fabricagetechnieken blijven verfijnen en andere soorten 2D-materialen testen om de coherentietijden te verlengen, die aangeven hoe lang de qubit informatie opslaat. Nieuwe apparaatontwerpen moeten de zaken nog verder kunnen verkleinen, zei Hone, door de elementen te combineren in een enkele van der Waals-stapel of door 2D-materialen in te zetten voor andere delen van het circuit.

“We weten nu dat 2D-materialen de sleutel kunnen zijn om kwantumcomputers mogelijk te maken”, zei Hone. “Het is nog erg vroeg, maar bevindingen als deze zullen onderzoekers over de hele wereld ertoe aanzetten om nieuwe toepassingen van 2D-materialen te overwegen. We hopen in de toekomst nog veel meer werk in deze richting te zien.”