超薄材料可能为个人尺寸的量子设备铺平道路

诸平

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据美国麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology简称MIT）2022年1月28日提供的消息，MIT与日本国立材料科学研究所（National Institute for Materials Science, Tsukuba, Japan）的研究人员合作，利用超薄材料可能为个人尺寸的量子设备铺平了道路（Ultrathin materials may pave the way for personal-sized quantum devices）

就像经典计算机中的晶体管一样，超导量子位是量子计算机的构建块。然而，虽然工程师们已经能够将晶体管缩小到纳米级，但超导量子位仍然以毫米为单位。例如，这是一个实用的量子计算设备无法小型化到智能手机大小的原因之一。

麻省理工学院的研究人员和日本国立材料科学研究所的研究人员，现在已经使用超薄材料来构建超导量子位，其尺寸至少是传统设计的百分之一，并且相邻量子位之间的干扰更少。这一进步可以提高量子计算机的性能，并能够开发更小的量子设备。

研究人员已经证明，六方氮化硼（hexagonal boron nitride简称hBN）是一种仅由几个单层原子组成的材料，可以堆叠以在超导量子位上的电容器中形成绝缘体。这种无缺陷的材料使电容器比通常用于量子位的电容器小得多，从而在不显著牺牲性能的情况下缩小了尺寸。此外，研究人员表明，这些较小电容器的结构应该可以大大减少发生在一个量子位无意中影响周围的量子位时而引起的串扰。相关研究结果于2022年1月27日已经在《自然材料》（Nature Materials）杂志网站发表——Joel I-J. Wang, Megan A. Yamoah, Qing Li, Amir H. Karamlou, Thao Dinh, Bharath Kannan, Jochen Braumüller, David Kim, Alexander J. Melville, Sarah E. Muschinske, Bethany M. Niedzielski, Kyle Serniak, Youngkyu Sung, Roni Winik, Jonilyn L. Yoder, Mollie E. Schwartz, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Terry P. Orlando, Simon Gustavsson, Pablo Jarillo-Herrero, William D. Oliver. Hexagonal boron nitride as a low-loss dielectric for superconducting quantum circuits and qubits. Nature Materials, Published: 27 January 2022. DOI: 10.1038/s41563-021-01187-w. https://www.nature.com/articles/s41563-021-01187-w

该研究的第一作者、麻省理工学院电子研究实验室工程量子系统组的研究科学家王乔尔（Joel I-J. Wang）说：“目前，我们在一个设备中可能有50或100个量子位，但为了未来的实际应用，我们将需要在一个设备中拥有数千或数百万个量子位。因此，将每个单独的量子位的尺寸小型化并同时避免这数十万个量子位之间不必要的串扰将非常重要。这是我们发现的极少数可用于这种结构的材料之一。”

王乔尔的共同主要作者是Megan A. Yamoah，她是工程量子系统小组（Engineering Quantum Systems group）的前学生，目前正在牛津大学获得罗德奖学金（Oxford University on a Rhodes Scholarship）。塞西尔和艾达·格林物理学教授 （Cecil and Ida Green Professor of Physics）Pablo Jarillo-Herrero 为通讯作者，资深作者为电气工程和计算机科学与物理学教授、麻省理工学院林肯实验室研究员（MIT Lincoln Laboratory Fellow）、量子工程中心（Center for Quantum Engineering）主任、电子研究实验室（Research Laboratory of Electronics）副主任威廉·奥利弗（William D. Oliver）。

量子位的困惑（Qubit quandaries）

超导量子位是一种使用超导电路的特殊量子计算平台，包含电感器和电容器。就像在收音机或其他电子设备中一样，这些电容器存储电场能量。电容器通常像三明治一样建造，在绝缘或电介质材料的两侧都有金属板。但与无线电不同的是，超导量子计算机在超低温下运行——比绝对零高不到 0.02 度（-273.15 ℃）——并且具有非常高频的电场，类似于今天的手机。在这种情况下工作的大多数绝缘材料都有缺陷。虽然对大多数经典应用无害，但当量子相干信息通过介电层时，它可能会以某种随机方式丢失或吸收。

“用于集成电路的大多数常见电介质，例如氧化硅或氮化硅，都存在许多缺陷，导致品质因数在500~1000左右。这对于量子计算应用来说太有损了，”威廉·奥利弗说。

为了解决这个问题，传统的量子位电容器更像是开放式三明治，没有顶板，底板上方有真空作为绝缘层。

王乔尔说：“付出的代价是板要大得多，因为你稀释了电场并使用更大的层来形成真空。每个单独的量子位的大小将比你可以在一个小型设备中包含所有东西时大得多。另一个问题是，当你有两个彼此相邻的量子位，并且每个量子位都有自己的电场对自由空间开放时，它们之间可能会发生一些不需要的对话，这会使仅控制一个量子位变得困难。人们很想回到电容器的最初想法，它只是两个电板，中间夹着一个非常干净的绝缘体。”

所以，这就是这些研究人员所做的。他们认为来自称为范德华材料（van der Waals materials）也称为2D材料(2D materials)家族的六方氮化硼将是制造电容器的良好候选者。这种独特的材料可以减薄至一层原子，其结构为晶体且不含缺陷。然后研究人员可以将这些薄层堆叠成所需的配置。

为了测试六方氮化硼，他们进行了实验来表征此材料超冷温度下与高频电场相互作用时的清洁程度，并发现当它通过此材料时损失的能量非常少。

 “之前表征hBN的大部分工作都是使用DC传输测量在零频率或接近零频率下进行的。然而，量子位在千兆赫范围内运行。很高兴看到hBN电容器在这些频率下的品质因数超过100000，这是我见过的光刻定义的集成平行板电容器的最高Q值之一，”威廉·奥利弗说。

电容器结构（Capacitor construction）

他们使用六方氮化硼为量子位构建了一个平行板电容器。为了制造这种电容器，他们将六方氮化硼夹在另一种范德华材料二硒化铌（niobium diselenide）的极薄层之间。

复杂的制造过程包括在显微镜下制备一个原子厚的材料层，然后使用粘性聚合物抓住每一层并将其堆叠在另一层之上。他们将带有二维材料堆叠的粘性聚合物放置在量子位电路上，然后熔化聚合物并将其冲走。然后他们将电容器连接到现有结构并将量子位冷却到 20 毫开尔文（-273.13 ℃）。

王乔尔说：“制造过程中最大的挑战之一是使用二硒化铌，如果它暴露在空气中，它会在几秒钟内氧化。为了避免这种情况，这个结构的整个组装必须在我们所说的手套箱中完成。这是一个充满氩气的大盒子，氩气是一种惰性气体，含氧量非常低。我们必须在这个盒子里做所有事情。” 

由此产生的量子位比他们在同一芯片上使用传统技术制造的量子位小约 100 倍。新设计的量子位的相干时间或寿命仅缩短了几微秒。王乔尔说，用六方氮化硼制成的电容器在上下板之间包含超过90%的电场，这表明它们将显著抑制相邻量子位之间的串扰。这项工作是对哥伦比亚大学（Columbia University）和雷神公司（Raytheon）团队最近研究的补充。

未来，研究人员希望使用这种方法在芯片上构建许多量子位，以验证他们的技术是否可以减少串扰。他们还希望通过微调制造过程，甚至用二维材料构建整个量子位来提高量子位的性能。

王乔尔说：“现在我们已经扫清了一条道路，表明您可以安全地使用尽可能多的六方氮化硼，而不必过多担心缺陷。这为您提供了很多机会，您可以制作各种不同的异质结构并将其与微波电路结合起来，并且您可以探索更多空间。在某种程度上，我们为人们开了绿灯——你可以以任何你想要的方式使用这种材料，而不必过多担心与电介质相关的损耗。”

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Shrinking qubits for quantum computing with atom-thin materials

MIT物理学家发现，振动的原子可产生强大的量子位 

Abstract

Dielectrics with low loss at microwave frequencies are imperative for high-coherence solid-state quantum computing platforms. Here we study the dielectric loss of hexagonal boron nitride (hBN) thin films in the microwave regime by measuring the quality factor of parallel-plate capacitors (PPCs) made of NbSe₂–hBN–NbSe₂ heterostructures integrated into superconducting circuits. The extracted microwave loss tangent of hBN is bounded to be at most in the mid-10⁻⁶ range in the low-temperature, single-photon regime. We integrate hBN PPCs with aluminium Josephson junctions to realize transmon qubits with coherence times reaching 25 μs, consistent with the hBN loss tangent inferred from resonator measurements. The hBN PPC reduces the qubit feature size by approximately two orders of magnitude compared with conventional all-aluminium coplanar transmons. Our results establish hBN as a promising dielectric for building high-coherence quantum circuits with substantially reduced footprint and with a high energy participation that helps to reduce unwanted qubit cross-talk.