Réduire les Qubits supraconducteurs pour l’informatique quantique avec des matériaux fins comme des atomes

Pour que les ordinateurs quantiques dépassent leurs homologues classiques en termes de vitesse et de capacité, leurs qubits – qui sont des circuits supraconducteurs pouvant exister dans une combinaison infinie d’états binaires – doivent être sur la même longueur d’onde. Cet objectif a toutefois été atteint au détriment de la taille. Alors que les transistors utilisés dans les ordinateurs classiques ont été réduits à l’échelle du nanomètre, les qubits supraconducteurs se mesurent encore aujourd’hui en millimètres – un millimètre, c’est un centimètre d’épaisseur. million Combinez les qubits dans des puces de circuit de plus en plus grandes et vous obtenez, relativement parlant, une grande empreinte physique, ce qui signifie que les ordinateurs quantiques occupent beaucoup d’espace physique. Ce ne sont pas encore des appareils que nous pouvons transporter dans nos sacs à dos ou porter au poignet.

Pour réduire la taille des qubits tout en maintenant leurs performances, les chercheurs ont besoin d’une nouvelle méthode de construction des condensateurs qui stockent l’énergie qui “alimente” les qubits. En collaboration avec Raytheon BBN Technologies, le laboratoire de Wang Fong-Jen et du professeur James Hone à Columbia Engineering a récemment fait la démonstration d’un condensateur de qubits supraconducteurs construit avec des matériaux 2D, ce qui lui confère une fraction de la taille des condensateurs précédents.

Pour construire des puces à qubits, les ingénieurs devaient auparavant utiliser des condensateurs planaires, qui disposaient les plaques chargées nécessaires côte à côte. L’empilement de ces plaques permet de gagner de l’espace, mais les métaux utilisés dans les condensateurs parallèles classiques interfèrent avec le stockage des informations des qubits. Dans le travail actuel, publié le 18 novembre dans NanoLetters, les doctorants de Hone, Abhinandan Antony et Anjaly Rajendra, ont pris en sandwich une couche isolante de nitrure de bore entre deux plaques chargées de diséléniure de niobium supraconducteur. Ces couches ne sont chacune qu’un seul 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