使用超薄材料來縮小超導量子比特的尺寸可能為個人大小的量子設備鋪平道路。與經典計算機中的晶體管一樣，超導量子比特也是量子計算機的構建模塊。雖然工程師已經能夠將晶體管縮小到納米級，但是超導量子比特仍然是以毫米為單位的，這是實用的量子計算設備無法縮小到智能手機大小的原因之一。
麻省理工學院的研究人員現在使用超薄材料來建造超導量子比特，其尺寸至少是傳統設計的百分之一，並且相鄰量子比特之間的干擾較少。這一進展可以提高量子計算機的性能，並能藉此開發出更小的量子設備。
研究人員已經證明，六方氮化硼，一種僅由幾個單層原子組成的材料可以被堆疊起來，形成超導量子比特上的電容器中的絕緣體。這種無缺陷的材料使電容器比通常用於量子軌道的電容器小得多，這就縮小了它的佔地面積，而不會明顯犧牲性能。
此外，研究人員表明，這些較小的電容器的結構應該大大減少交叉串擾，交叉串擾發生在一個量子比特無意中影響到周圍的量子比特。
麻省理工學院的研究人員利用二維材料六方氮化硼為超導量子比特建造了小得多的電容器，使他們能夠在不犧牲性能的情況下將量子比特的佔地面積縮小兩個數量級
“現在，我們在一個設備中可能有50或100個量子比特，但為了將來的實際使用，我們在一個設備中需要數千或數百萬的量子比特。因此，將每個單獨的量子比特的尺寸小型化，同時避免這幾十萬個量子比特之間不必要的串擾，將是非常重要的。這是我們發現的可以用於這種結構的極少數材料之一，”共同第一作者Joel Wang說，他是麻省理工學院電子研究實驗室工程量子系統組的研究科學家。
Wang的共同主要作者是20歲的Megan Yamoah，她曾是工程量子系統組的學生，目前正以羅茲獎學金在牛津大學學習。Cecil and Ida Green物理學教授Pablo Jarillo-Herrero是通訊作者，高級作者是William D. Oliver，他是電子工程和計算機科學以及物理學教授，麻省理工學院林肯實驗室研究員，量子工程中心主任，以及電子學研究實驗室副主任。該研究發表於2022年1月27日的《自然-材料》雜誌。
超導量子比特是一種特殊的量子計算平台，它使用超導電路，包含電感和電容。就像在收音機或其他電子設備中，這些電容器儲存了電場能量。電容器的構造通常像一個三明治，在絕緣或電介質材料的兩側有金屬板。
但與收音機不同的是，超導量子計算機在超低溫下工作–比絕對零度（-273.15攝氏度）高不到0.02度–並且具有非常高頻的電場，類似於今天的手機。在這個工況下工作的大多數絕緣材料都有缺陷。雖然對大多數經典應用無害，但當量子相干信息通過電介質層時，可能會以某種隨機方式丟失或被吸收。
“大多數用於集成電路的普通電介質，如氧化硅或氮化硅，有許多缺陷，導致質量係數在500至1000左右。這對於量子計算的應用來說，損失太大，”Oliver說。
為了解決這個問題，傳統的量子比特電容器更像是開放式的三明治，沒有頂板，真空位於底板上方，作為絕緣層。
Wang說：”我們付出的代價是，板子要大得多，因為你稀釋了電場，並使用了一個大得多的真空層。每個單獨的量子比特的大小將比你能在一個小設備中包含所有東西的情況下大得多。而另一個問題是，當你有兩個量子比特彼此相鄰，並且每個量子比特都有自己的電場向自由空間開放時，它們之間可能會有一些不必要的談話，這可能會使你很難只控制一個量子比特。人們很想回到電容器的非常原始的想法，這只是兩個電板，中間夾着一個非常乾淨的絕緣體。”
他們認為六方氮化硼，來自一個被稱為范德瓦爾斯材料（也被稱為二維材料）的家族將是建立電容器的良好候選材料。這種獨特的材料可以減薄到一層原子，其結構是結晶性的，不包含缺陷。然後，研究人員可以將這些薄層堆疊成所需的配置。
為了測試六方氮化硼，他們進行了實驗，以表徵該材料在超低溫下與高頻電場相互作用時的清潔程度，並發現當能量通過該材料時，損失非常小。
以前表徵hBN（六方氮化硼）的大部分工作是在或接近零頻率的情況下使用直流傳輸測量進行的。然而，量子比特在千兆赫茲系統中工作。hBN電容器在這些頻率下具有超過100000的質量係數，這是目前平版印刷定義的集成平行板電容器的最高質量係數之一。
他們使用六邊形氮化硼來建造一個用於量子比特的平行板電容器。為了製造該電容器，他們將六方氮化硼夾在另一種范德瓦爾斯材料–二硒化鈮的極薄層之間。
複雜的製造過程包括在顯微鏡下準備一原子厚的材料層，然後用一種粘性聚合物抓住每一層並將其堆疊在另一層上面。他們將粘性聚合物與二維材料的堆疊放在了四維電路上，然後融化聚合物並將其洗掉。他們將電容器連接到現有的結構上，並將量子比特冷卻到20毫開爾文（-273.13℃）。
由此產生的量子比特比他們在同一芯片上用傳統技術製造的小100倍。用他們的新設計，量子比特的相干時間或壽命只縮短了幾微秒。用六方氮化硼建造的電容器在上下板之間含有90%以上的電場，這表明它們將大大抑制相鄰的量子比特之間的串擾。這項工作是對哥倫比亞大學和雷神公司的一個團隊最近研究的補充。
在未來，研究人員希望用這種方法在一個芯片上構建許多量子比特，以驗證他們的技術是否能減少交叉串擾。他們還想通過微調製造過程來提高量子比特的性能，甚至用二維材料來構建整個量子比特。
“現在我們已經掃清了一條道路，表明你可以安全地使用儘可能多的六方氮化硼，而不用太擔心缺陷。這開闢了很多機會，可以製造各種不同的異質結構，並將其與微波電路相結合，你可以探索的空間更大。”Wang說：”在某種程度上，可以以任何方式使用這種材料，而不用太擔心與電介質有關的損耗。”