現(xiàn)有的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)要在速度和容量上超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)，由超導(dǎo)電路構(gòu)成的所有量子比特都需要有相同的波長(zhǎng)。然而實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)是以規(guī)模為代價(jià)的，畢竟，經(jīng)典計(jì)算機(jī)中的晶體管只有納米級(jí)大小，而現(xiàn)在超導(dǎo)量子比特卻是以毫米為單位計(jì)量的，大了一百萬(wàn)倍。

將這些超導(dǎo)電路構(gòu)造的量子比特串連起來，需要占用更大的體積，意味著量子計(jì)算機(jī)將占用大量物理空間。這也就是量子計(jì)算機(jī)還無(wú)法應(yīng)用在電腦、手環(huán)等便攜式設(shè)備上的原因。

要在保持量子計(jì)算性能的同時(shí)縮小超導(dǎo)電路的大小，量子計(jì)算需要采用新的方法來構(gòu)建電容器，以提供量子比特所需的能量。哥倫比亞大學(xué)名譽(yù)工程教授James Hone的實(shí)驗(yàn)室與BBN技術(shù)公司合作，并在近日展示了一種用二維材料構(gòu)建的超導(dǎo)量子比特電容，可將體積縮小一大部分。

在傳統(tǒng)情況下，工程師在制造量子芯片時(shí)，通常會(huì)采用平行板電容器，并將必要的帶電板并排放置，再堆疊以節(jié)省空間，但在這其中用到的金屬將會(huì)干擾量子信息存儲(chǔ)。11月18日Hone的博士生Abhinandan Antony和Anjaly Rajendra在NanoLetters期刊上發(fā)表了關(guān)于將在兩個(gè)帶電的超導(dǎo)體二硒化鈮板之間采用氮化硼絕緣層的新研究：通過范德華力（電子之間的弱相互作用）保持在一起的氮化硼絕緣層，只有單個(gè)原子厚度。該團(tuán)隊(duì)還將他們的電容器與鋁電路相結(jié)合，創(chuàng)建了一個(gè)包含兩量子比特的芯片，其面積為109平方微米，厚度僅35納米，將體積縮小到傳統(tǒng)方式制造的量子芯片的千分之一。

Hone教授表示，“二維材料的應(yīng)用可能是量子計(jì)算機(jī)成為可能的關(guān)鍵。雖然現(xiàn)在來說還為時(shí)過早，但此次發(fā)現(xiàn)將激勵(lì)全世界的研究人員考慮二維材料的新應(yīng)用。我們希望在這個(gè)方向上能夠有更多的工作并向前發(fā)展。”

Hone團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)將量子比特芯片冷卻到絕對(duì)零度時(shí)，這些量子比特表現(xiàn)出相同的波長(zhǎng)。該團(tuán)隊(duì)還觀察到了體現(xiàn)量子相干性的關(guān)鍵特征：兩個(gè)量子比特正糾纏在一起并作為一個(gè)整體。Hone講到，“這意味著可以通過電脈沖操縱和讀出量子位的量子狀態(tài)?！北M管新型芯片相干時(shí)間很短——略高于1微秒，而使用傳統(tǒng)共面電容器的超導(dǎo)電路相干時(shí)間約為10微秒，但這只是探索在該領(lǐng)域使用二維材料的第一步。

麻省理工學(xué)院研究人員8月在arXiv上發(fā)表了另一項(xiàng)獨(dú)立研究，他們團(tuán)隊(duì)也利用二硒化鈮和氮化硼為量子比特構(gòu)建了平行板電容器，顯示出了更長(zhǎng)的相干時(shí)間：高達(dá)25微秒。這一研究表明新型電容仍有進(jìn)一步提高性能的空間。

Hone講到，未來團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)改進(jìn)制造技術(shù)，并測(cè)試其他類型的二維材料，進(jìn)一步增加相干時(shí)間。同時(shí)，通過將這些元件合并到一個(gè)范德華多層堆棧中，或在電路其它部分使用二維材料，未來還可以進(jìn)一步縮小超導(dǎo)量子比特器件的尺寸。

編譯：李每

編輯：王珩