الحوسبة الكمومية هي تقنية معقدة للغاية ، مع العديد من العقبات التقنية التي تؤثر على تطورها. من هذه التحديات تبرز قضيتان مهمتان: التصغير وجودة Qubit.
اعتمدت IBM خريطة طريق Qubit الفائقة للوصول إلى معالج 1121 كوبيت بحلول عام 2023 ، مما يؤدي إلى توقع أن يكون 1000 Qubits مع عامل شكل Qubit اليوم ممكن. ومع ذلك ، سوف تتطلب الأساليب الحالية رقائقًا كبيرة جدًا (50 ملليمتر على الجانب ، أو أكبر) على نطاق رقائق صغيرة ، أو استخدام أرقام على وحدات متعددة. على الرغم من أن هذا النهج سيعمل ، فإن الهدف هو تحقيق طريق أفضل نحو قابلية التوسع.
الآن تمكن الباحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا من تقليل حجم Qubits وقاموا بذلك بطريقة تقلل من التداخل الذي يحدث بين Qubits المجاورة. زاد الباحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا من عدد Qubits الفائقة التي يمكن إضافتها على جهاز بعامل 100.
وقال وليام أوليفر ، مدير مركز الهندسة الكمومية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: “نحن نتصدى لتصغير Qubit والجودة”. “على عكس تحجيم الترانزستور التقليدي ، حيث لا يهم إلا العدد حقًا ، بالنسبة إلى Qubits ، لا يكفي الأرقام الكبيرة ، كما يجب أن تكون عالية الأداء. التضحية بالأداء لرقم Qubit ليس تجارة مفيدة في الحوسبة الكمومية. يجب أن يسيروا جنبا إلى جنب. “
إن مفتاح هذه الزيادة الكبيرة في كثافة Qubit وتقليل التداخل يعود إلى استخدام المواد ثنائية الأبعاد ، وخاصة Nitride سداسية عازلة ثنائية الأبعاد (HBN). أثبت الباحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا أنه يمكن تكديس بعض أحادي الطبقة الذرية من HBN لتشكيل العازل في المكثفات من Qubit الفائقة.
تمامًا مثل المكثفات الأخرى ، تأخذ المكثفات في هذه الدوائر الفائقة التوصيل شكل شطيرة يتم فيها تقويم مادة عازلة بين لوحين معدنيين. الفرق الكبير لهذه المكثفات هو أن الدوائر الفائقة الموصل يمكن أن تعمل فقط في درجات حرارة منخفضة للغاية-أقل من 0.02 درجة فوق الصفر المطلق (-273.15 درجة مئوية).
يتم قياس Qubits الفائق في درجات حرارة منخفضة تصل إلى 20 ميليكلفين في ثلاجة التخفيف.ناثان الصيد/منجم
في تلك البيئة ، تحتوي المواد العازلة المتوفرة على الوظيفة ، مثل أكسيد السيليكون PE-CVD أو نيتريد السيليكون ، على عدد قليل من العيوب التي تعتبر خفيفة للغاية بالنسبة لتطبيقات الحوسبة الكمومية. للتغلب على أوجه القصور هذه ، تستخدم معظم الدوائر الخارقة التوصيل ما يسمى المكثفات Coplanar. في هذه المكثفات ، يتم وضع اللوحات أفقيا لبعضها البعض ، وليس فوق بعضها البعض.
ونتيجة لذلك ، فإن الركيزة السيليكون الجوهرية أسفل اللوحات وإلى حد أصغر ، يكون الفراغ فوق اللوحات بمثابة عزل مكثف. السيليكون الجوهري نقي كيميائيًا وبالتالي يحتوي على عدد قليل من العيوب ، والحجم الكبير يخفف من الحقل الكهربائي في واجهات اللوحة ، وكلها تؤدي إلى مكثف منخفض الخسارة. ينتهي الحجم الجانبي لكل لوحة في هذا التصميم المفتوح إلى أن يكون كبيرًا جدًا (عادة 100 في 100 ميكرومتر) من أجل تحقيق السعة المطلوبة.
في محاولة للابتعاد عن التكوين الجانبي الكبير ، شرع باحثو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في البحث عن عازل له عيوب قليلة جدًا ومتوافقة مع لوحات مكثف فائقة التوصيل.
وقال مؤلف Colead جويل وانغ ، وهو عالم أبحاث في مجموعة أنظمة الكم في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: “لقد اخترنا دراسة HBN لأنها العازل الأكثر استخدامًا في أبحاث المواد ثنائية الأبعاد بسبب نظافتها والختام الكيميائي”.
على جانبي HBN ، استخدم الباحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا المادة الفائقة الموصل ، niobium diselenide. كان أحد أكثر جوانب تصنيع المكثفات يعمل مع Niobium diselenide ، الذي يتأكسد في ثوانٍ عندما يتعرض للهواء ، وفقًا لما قاله وانغ. هذا يستلزم أن يحدث تجميع المكثف في صندوق قفاز مملوء بغاز الأرجون.
في حين أن هذا من شأنه أن يعقد على ما يبدو توسيع نطاق إنتاج هؤلاء المكثفات ، لا يعتبر وانغ هذا عاملاً محددًا.
وقال وانغ: “ما يحدد عامل جودة المكثف هما الواجهتان بين المادتين”. “بمجرد صنع السندوتشات ، تكون الواجهتان” مختومة “ولا نرى أي تدهور ملحوظ مع مرور الوقت عند تعرضه للأجواء”.
هذا الافتقار إلى التدهور يرجع إلى أن حوالي 90 في المائة من المجال الكهربائي موجود داخل بنية السندويش ، وبالتالي فإن أكسدة السطح الخارجي لسيء النيوبيوم لم يعد يلعب دورًا مهمًا. هذا في نهاية المطاف يجعل بصمة المكثف أصغر بكثير ، وهو يفسر انخفاض في الحديث المتقاطع بين Qubits المجاورة.
“التحدي الرئيسي لتوسيع نطاق التصنيع هو النمو على نطاق الرقاقة لـ HBN و 2D الموصلات الفائقة مثل [niobium diselenide]وأضاف وانغ: “وكيف يمكن للمرء أن يفعل تكديسًا على نطاق الرقاقة لهذه الأفلام”.
يعتقد وانغ أن هذا البحث أظهر ثنائي الأبعاد HBN ليكون مرشحًا جيدًا للعازل لتوصيلات فائقة التوصيل. يقول إن الأساس الذي قام به فريق معهد ماساتشوستس للتكن