Micrografia ottica del chip qubit superconduttore del team che è 1000 volte più piccolo di altri realizzati con tecniche di fabbricazione convenzionali. Credito:Abhinandan Antony / Columbia Engineering
Affinché i computer quantistici superino le loro controparti classiche in termini di velocità e capacità, i loro qubit, che sono circuiti superconduttori che possono esistere in una combinazione infinita di stati binari, devono essere sulla stessa lunghezza d'onda. Il raggiungimento di questo, tuttavia, è avvenuto a scapito delle dimensioni. Mentre i transistor utilizzati nei computer classici sono stati ridotti a scale nanometriche, i qubit superconduttori in questi giorni sono ancora misurati in millimetri:un millimetro è un milione di nanometri.
Combina i qubit insieme in chip di circuito sempre più grandi e ti ritroverai, relativamente parlando, con una grande impronta fisica, il che significa che i computer quantistici occupano molto spazio fisico. Questi non sono ancora dispositivi che possiamo portare nei nostri zaini o indossare ai polsi.
Per ridurre i qubit mantenendo le loro prestazioni, il campo ha bisogno di un nuovo modo per costruire i condensatori che immagazzinano l'energia che "alimenta" i qubit. In collaborazione con Raytheon BBN Technologies, il laboratorio del professor James Hone di Wang Fong-Jen presso la Columbia Engineering ha recentemente dimostrato un condensatore qubit superconduttore costruito con materiali 2D che è una frazione delle dimensioni precedenti.
Per costruire chip qubit in precedenza, gli ingegneri hanno dovuto utilizzare condensatori planari, che affiancano le piastre cariche necessarie. Impilare quelle piastre farebbe risparmiare spazio, ma i metalli utilizzati nei condensatori paralleli convenzionali interferiscono con la memorizzazione delle informazioni dei qubit. Nel lavoro in corso, pubblicato il 18 novembre in Nano Letters , Ph.D. di Hone gli studenti Abhinandan Antony e Anjaly Rajendra hanno inserito uno strato isolante di nitruro di boro tra due piastre cariche di dieselenuro di niobio superconduttore. Questi strati hanno ciascuno lo spessore di un singolo atomo e sono tenuti insieme dalle forze di van der Waals, la debole interazione tra gli elettroni. Il team ha quindi combinato i propri condensatori con circuiti in alluminio per creare un chip contenente due qubit con un'area di 109 micrometri quadrati e uno spessore di soli 35 nanometri, 1.000 volte più piccolo dei chip prodotti con approcci convenzionali.
Quando hanno raffreddato il loro chip qubit fino a poco sopra lo zero assoluto, i qubit hanno trovato la stessa lunghezza d'onda. Il team ha anche osservato caratteristiche chiave che hanno mostrato che i due qubit si stavano impigliando e agivano come una singola unità, un fenomeno noto come coerenza quantistica; ciò significherebbe che lo stato quantico del qubit potrebbe essere manipolato e letto tramite impulsi elettrici, ha affermato Hone. Il tempo di coerenza è stato breve:poco più di 1 microsecondo, rispetto a circa 10 microsecondi per un condensatore complanare costruito in modo convenzionale, ma questo è solo un primo passo nell'esplorazione dell'uso di materiali 2D in quest'area, ha affermato.
Un lavoro separato pubblicato su arXiv ad agosto dai ricercatori del MIT ha anche sfruttato il diseleniuro di niobio e il nitruro di boro per costruire condensatori a piastre parallele per qubit. I dispositivi studiati dal team del MIT hanno mostrato tempi di coerenza ancora più lunghi, fino a 25 microsecondi, indicando che c'è ancora spazio per migliorare ulteriormente le prestazioni.
Da qui, Hone e il suo team continueranno a perfezionare le loro tecniche di fabbricazione e testeranno altri tipi di materiali 2D per aumentare i tempi di coerenza, che riflettono per quanto tempo il qubit sta memorizzando le informazioni. I nuovi progetti di dispositivi dovrebbero essere in grado di ridurre ulteriormente le cose, ha affermato Hone, combinando gli elementi in un unico stack di van der Waals o distribuendo materiali 2D per altre parti del circuito.
"Ora sappiamo che i materiali 2D possono essere la chiave per rendere possibili i computer quantistici", ha affermato Hone. "Siamo ancora agli inizi, ma risultati come questi stimoleranno i ricercatori di tutto il mondo a considerare nuove applicazioni dei materiali 2D. Speriamo di vedere molto più lavoro in questa direzione andando avanti". + Esplora ulteriormente
