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Los materiales atómicamente delgados reducen significativamente los qubits



La computación cuántica es una tecnología endiabladamente compleja, con muchos obstáculos técnicos que afectan su desarrollo. De estos desafíos destacan dos temas críticos: la miniaturización y la calidad de los qubits.

IBM ha adoptado la hoja de ruta de qubits superconductores de llegar a un procesador de 1.121 qubits para 2023, lo que lleva a la expectativa de que 1,000 qubits con el factor de forma de qubit actual es factible. Sin embargo, los enfoques actuales requerirán chips muy grandes (50 milímetros de lado o más grandes) a la escala de pequeñas obleas, o el uso de chiplets en módulos multichip. Si bien este enfoque funcionará, el objetivo es lograr un mejor camino hacia la escalabilidad.

Ahora los investigadores de El MIT ha sido capaz de reducir el tamaño de los qubits y lo hizo de una manera que reduce la interferencia que ocurre entre los qubits vecinos. Los investigadores del MIT han aumentado la cantidad de qubits superconductores que se pueden agregar a un dispositivo en un factor de 100.

“Estamos abordando tanto la miniaturización como la calidad de los qubits”, dijo Guillermo Oliverel director de la Centro de Ingeniería Cuántica en el MIT. “A diferencia del escalado de transistores convencional, donde solo el número realmente importa, para los qubits, los números grandes no son suficientes, también deben ser de alto rendimiento. Sacrificar el rendimiento por el número de qubits no es un intercambio útil en la computación cuántica. Deben ir de la mano”.

La clave de este gran aumento en la densidad de qubits y la reducción de la interferencia se reduce al uso de materiales bidimensionales, en particular, el nitruro de boro hexagonal aislante 2D (hBN). Los investigadores del MIT demostraron que se pueden apilar algunas monocapas atómicas de hBN para formar el aislante en los condensadores de un qubit superconductor.

Al igual que otros condensadores, los condensadores de estos circuitos superconductores adoptan la forma de un sándwich en el que un material aislante se intercala entre dos placas de metal. La gran diferencia de estos condensadores es que los circuitos superconductores pueden funcionar solo a temperaturas extremadamente bajas, menos de 0,02 grados sobre el cero absoluto (-273,15 °C).

Refrigerador de dilución de oro colgado verticalmente
Los qubits superconductores se miden a temperaturas tan bajas como 20 milikelvin en un refrigerador de dilución.Nathan Fiske/MIT

En ese entorno, los materiales aislantes que están disponibles para el trabajo, como el óxido de silicio PE-CVD o el nitruro de silicio, tienen bastantes defectos que generan demasiadas pérdidas para las aplicaciones de computación cuántica. Para superar estas deficiencias materiales, la mayoría de los circuitos superconductores utilizan lo que se denomina condensadores coplanares. En estos condensadores, las placas se colocan lateralmente entre sí, en lugar de una encima de la otra.

Como resultado, el sustrato de silicio intrínseco debajo de las placas y, en menor grado, el vacío sobre las placas sirven como dieléctrico del capacitor. El silicio intrínseco es químicamente puro y, por lo tanto, tiene pocos defectos, y el gran tamaño diluye el campo eléctrico en las interfaces de las placas, todo lo cual conduce a un condensador de baja pérdida. El tamaño lateral de cada placa en este diseño de cara abierta termina siendo bastante grande (típicamente 100 por 100 micrómetros) para lograr la capacitancia requerida.

En un esfuerzo por alejarse de la gran configuración lateral, los investigadores del MIT se embarcaron en la búsqueda de un aislante que tuviera muy pocos defectos y fuera compatible con las placas de capacitores superconductores.

“Elegimos estudiar hBN porque es el aislante más utilizado en la investigación de materiales 2D debido a su limpieza e inercia química”, dijo el coautor principal. joel wangcientífico investigador del grupo de Ingeniería de Sistemas Cuánticos del Laboratorio de Investigación de Electrónica del MIT.

A ambos lados del hBN, los investigadores del MIT utilizaron el material superconductor 2D, diseleniuro de niobio. Uno de los aspectos más complicados de la fabricación de los capacitores fue trabajar con diseleniuro de niobio, que se oxida en segundos cuando se expone al aire, según Wang. Esto requiere que el montaje del condensador se produzca en una guantera llena de gas argón.

Si bien esto aparentemente complicaría la ampliación de la producción de estos condensadores, Wang no lo considera un factor limitante.

“Lo que determina el factor de calidad del capacitor son las dos interfaces entre los dos materiales”, dijo Wang. “Una vez que se hace el sándwich, las dos interfaces se ‘sellan’ y no vemos ninguna degradación notable con el tiempo cuando se exponen a la atmósfera”.

Esta falta de degradación se debe a que alrededor del 90 por ciento del campo eléctrico está contenido dentro de la estructura de sándwich, por lo que la oxidación de la superficie exterior del diseleniuro de niobio ya no juega un papel importante. En última instancia, esto hace que la huella del condensador sea mucho más pequeña y explica la reducción de la diafonía entre los qubits vecinos.

“El principal desafío para ampliar la fabricación será el crecimiento a escala de oblea de superconductores 2D y hBN como [niobium diselenide]y cómo se pueden apilar estas películas a escala de obleas”, agregó Wang.

Wang cree que esta investigación ha demostrado que 2D hBN es un buen candidato aislante para los qubits superconductores. Él dice que el trabajo de base que ha realizado el equipo del MIT servirá como hoja de ruta para usar otros materiales 2D híbridos para construir circuitos superconductores.



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