量子コンピューティングは非常に複雑なテクノロジーであり、その開発には多くの技術的ハードルが影響します。これらの課題の中で、小型化と量子ビットの品質という 2 つの重要な問題が際立っています。
IBM は、2023 年までに 1,121 量子ビットのプロセッサーに到達するという超伝導量子ビットのロードマップを採用しており、今日の量子ビット乗算器で 1,000 量子ビットが可能であるという期待につながっています。しかし、現在のアプローチでは、小さなウェーハの規模で非常に大きなチップ (一辺が 50 ミリメートル以上) を使用するか、マルチチップ モジュール上のチップを使用する必要があります。このアプローチは機能しますが、目標は、スケーラビリティへのより良い道に到達することです。
今回、MIT の研究者らは、量子ビットのサイズを縮小することと、隣接する量子ビット間で発生する干渉を減らす方法で縮小することに成功しました。 MITの研究者らは、デバイスに追加できる超伝導量子ビットの数を100倍に増やした。
「私たちは量子ビットの小型化と品質の両方に取り組んでいます」とMIT量子工学センター所長のウィリアム・オリバー氏は語った。 「実際に数だけが重要となる従来のトランジスタのスケーリングとは異なり、量子ビットの場合、大きな数だけでは十分ではなく、高性能でなければなりません。量子ビット数のために性能を犠牲にすることは、量子コンピューティングにおいて有用なトレードオフではありません。それらは両立しなければなりません。」
この量子ビット密度の大幅な増加と干渉の低減の鍵は、2D 材料、特に 2D 絶縁六方晶窒化ホウ素 (hBN) の使用にあります。 MITの研究者らは、hBNのいくつかの原子層を積層して超伝導量子ビットキャパシタの絶縁体を形成できることを実証した。
他のコンデンサと同様に、これらの導体回路のコンデンサは、絶縁材料が 2 枚の金属板の間に挟まれたサンドイッチの形をしています。これらのコンデンサの大きな違いは、導電回路が絶対零度 (摂氏 -273.15 度) より 0.02 度未満の極低温でのみ動作できることです。
超伝導量子ビットは、希釈冷凍機内で 20 ミリケルビンという低い温度で測定されます。ネイサン・フィスク/MIT
この環境では、PE-CVD 酸化シリコンや窒化シリコンなどの利用可能な絶縁材料には、量子コンピューティングのアプリケーションにとって致命的すぎる欠陥がかなりの数あります。これらの材料上の欠点を回避するために、ほとんどの超電導回路はいわゆる共増幅器コンデンサを使用します。これらのコンデンサでは、プレートは互いに重なり合うのではなく、互いに交差して配置されます。
その結果、プレートの下の内部シリコン基板と、程度は低いですがプレート上の真空がコンデンサ誘電体として機能します。内部シリコンは化学的に純粋であるため欠陥がほとんどなく、サイズが大きいためプレート界面の電場が弱まり、これらすべてが低損失コンデンサにつながります。このオープンフェイス設計の各プレートの横サイズは、必要な静電容量を実現するために非常に大きくなります (通常は 100 x 100 µm)。
大きな横方向の構成から脱却するために、MIT の研究者は、欠陥が非常に少なく、導電性コンデンサ プレートと互換性のある絶縁体の探索を開始しました。
「私たちが hBN を研究することを選んだのは、hBN がその清浄さと化学的不活性により 2D 材料の研究で最も一般的に使用されている絶縁体だからです」と、共著者で MIT 電子研究所量子システム工学グループの研究員ジョエル・ワン氏は述べています。
MITの研究者らは、hBNの両側に二次元超伝導材料である二セレン化ニオブを使用した。ワン氏によると、コンデンサーの製造で最も困難だったのは、空気にさらされると数秒以内に酸化する二セレン化ニオブを扱うことでした。これには、コンデンサの組み立てをアルゴン ガスが満たされたグローブ ボックス内で行う必要があります。
これにより、これらのコンデンサの生産規模の拡大が複雑になるように見えますが、Wang 氏はこれが制限要因とは考えていません。
「コンデンサの品質係数を決定するのは、2 つの材料間の 2 つの界面です」と Wang 氏は述べています。 「サンドイッチを作成した後、2 つの界面は「密閉」され、大気にさらされても時間の経過とともに目立った劣化は見られません。」
この分解の欠如は、電場の約 90% がサンドイッチ構造内に含まれているため、二セレン化ニオブの外表面の酸化は重要な役割を果たしていないためです。これにより、最終的にはコンデンサの設置面積が大幅に小さくなり、隣接する量子ビット間のクロストークが減少します。
「生産規模を拡大するための主な課題は、hBN や 2D 導体のウェーハ規模の成長です。 [niobium diselenide]そして、これらのフィルムのウエハースケールのスタックをどのようにして作ることができるのか」とワン氏は付け加えた。
Wang 氏は、この研究により 2D hBN が超伝導量子ビットの優れた絶縁候補であることが示されたと考えています。彼は、MIT チームが行った基礎的な研究は、他の 2D ハイブリッド材料を使用して超電導回路を構築するためのロードマップとして役立つだろうと述べています。
