Reduzindo Qubits Supercondutores para Computação Quântica com Materiais Atom-Thin

Para que os computadores quânticos superem suas contrapartes clássicas em velocidade e capacidade, seus qubits – que são circuitos supercondutores que podem existir em uma combinação infinita de estados binários – precisam estar no mesmo comprimento de onda. Conseguir isso, no entanto, veio ao custo do tamanho. Enquanto os transistores usados ​​em computadores clássicos foram reduzidos a escalas nanométricas, os qubits supercondutores hoje em dia ainda são medidos em milímetros – um milímetro é um milhão Nanômetros. Combine qubits em chips de circuito cada vez maiores, e você acaba com, relativamente falando, uma grande pegada física, o que significa que os computadores quânticos ocupam muito espaço físico. Estes ainda não são dispositivos que podemos carregar em nossas mochilas ou usar em nossos pulsos.

Para reduzir os qubits enquanto mantém seu desempenho, o campo precisa de uma nova maneira de construir os capacitores que armazenam a energia que “alimenta” os qubits. Em colaboração com a Raytheon BBN Technologies, o laboratório do professor Wang Fong-Jen James Hone na Columbia Engineering demonstrou recentemente um capacitor qubit supercondutor construído com materiais 2D, tornando-o uma fração do tamanho dos capacitores anteriores.

Para construir chips qubit anteriormente, os engenheiros tiveram que usar capacitores planares, que colocam as placas carregadas necessárias lado a lado. Empilhar essas placas economizaria espaço, mas os metais usados ​​em capacitores paralelos convencionais interferem no armazenamento de informações do qubit. No trabalho atual, publicado em 18 de novembro na NanoLetras, os alunos de doutorado de Hone Abhinandan Antony e Anjaly Rajendra colocaram uma camada isolante de nitreto de boro entre duas placas carregadas de disseleneto de nióbio supercondutor. Essas camadas são cada uma apenas uma única[{” attribute=””>atom thick and held together by van der Waals forces, the weak interaction between electrons. The team then combined their capacitors with aluminum circuits to create a chip containing two qubits with an area of 109 square micrometers and just 35 nanometers thick—that’s 1,000 times smaller than chips produced under conventional approaches.

When they cooled their qubit chip down to just above absolute zero, the qubits found the same wavelength. The team also observed key characteristics that showed that the two qubits were becoming entangled and acting as a single unit, a phenomenon known as quantum coherence; that would mean the qubit’s quantum state could be manipulated and read out via electrical pulses, said Hone. The coherence time was short—a little over one microsecond, compared to about 10 microseconds for a conventionally built coplanar capacitor, but this is only a first step in exploring the use of 2D materials in this area, he said.

Separate work published on arXiv last August from researchers at MIT also took advantage of niobium diselenide and boron nitride to build parallel-plate capacitors for qubits. The devices studied by the MIT team showed even longer coherence times—up to 25 microseconds—indicating that there is still room to further improve performance.From here, Hone and his team will continue refining their fabrication techniques and test other types of 2D materials to increase coherence times, which reflect how long the qubit is storing information. New device designs should be able to shrink things down even further, said Hone, by combining the elements into a single van der Waals stack or by deploying 2D materials for other parts of the circuit.

“We now know that 2D materials may hold the key to making quantum computers possible,” Hone said. “It is still very early days, but findings like these will spur researchers worldwide to consider novel applications of 2D materials. We hope to see a lot more work in this direction going forward.”

Reference: “Miniaturizing Transmon Qubits Using van der Waals Materials” by Abhinandan Antony, Martin V. Gustafsson, Guilhem J. Ribeill, Matthew Ware, Anjaly Rajendran, Luke C. G. Govia, Thomas A. Ohki, Takashi Taniguchi, Kenji Watanabe, James Hone and Kin Chung Fong, 18 November 2021, NanoLetters.
DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c04160