科学探索|科学家用原子级厚度的材料缩小超导立方体实现量子计算机小型化科学家用原子级厚度的材料缩

利用二维材料，研究人员已经建立了超导量子比特，其大小只有以前量子比特的一小部分，为更小的量子计算机铺平了道路。为了使量子计算机在速度和容量上超过它们的经典同行，它们的量子比特，也就是可以存在于二进制状态的无限组合中的超导电路需要在同一波长上。
【科学探索|科学家用原子级厚度的材料缩小超导立方体实现量子计算机小型化】然而，实现这一目标是以尺寸为代价的。经典计算机中使用的晶体管已经缩小到了纳米级，而现在的超导量子比特仍然是以毫米为单位，一毫米就是一百万纳米，导致量子计算设备还远远不是我们可以放在背包里或戴在手腕上的设备。
为了缩小量子比特的体积，同时保持其性能，量子计算领域需要一种新的方法来建造电容器，以储存为量子比特"供电"的能量。与雷神BBN技术公司合作，Wang Fangzhen教授在哥伦比亚工程公司的实验室最近展示了一种用二维材料建造的超导量子比特电容器，使其尺寸仅为以前电容器的一小部分。
以前为了构建量子比特芯片，工程师们不得不使用平面电容器，它将必要的带电板并排设置。堆叠这些板块可以节省空间，但传统的平行电容器中使用的金属会干扰量子比特的信息存储。在11月18日发表在《纳米通讯》（NanoLetters）上的当前工作中，霍恩的博士生阿比南丹·安东尼（Abhinandan Antony）和安贾里·拉金德拉（Anjaly Rajendra）在两个超导二硒化铌的带电板之间夹了一层氮化硼的绝缘层。这些层各自只有一个原子的厚度，并通过范德华力（电子之间的弱相互作用）固定在一起。然后，该团队将他们的电容器与铝电路结合起来，创造出一个包含两个量子比特的芯片，其面积为109平方微米，厚度仅为35纳米--这比用传统方法生产的芯片小1000倍。
当他们把他们的量子比特芯片冷却到略高于绝对零度时，这些量子比特被发现拥有相同的波长。研究小组还观察到了一些关键特征，这些特征表明这两个量子比特正变得纠缠在一起，并作为一个单一的单元行事，这种现象被称为量子相干，这将意味着量子比特的量子状态可以通过电脉冲进行操纵和读出，相干时间很短--略多于1微秒，而传统建造的共面电容大约为10微秒，但这只是探索在该领域使用二维材料的第一步。

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该团队的超导量子比特芯片的光学显微照片，比用传统制造技术制造的其他芯片小1000倍。
麻省理工学院的研究人员去年8月在arXiv上发表的另一项工作也利用二硒化铌和氮化硼的优势，为量子比特建立了平行板电容器。麻省理工学院团队研究的设备显示出更长的相干时间：高达25微秒，这表明仍有进一步提高性能的空间。从这里开始，霍恩和他的团队将继续完善他们的制造技术，并测试其他类型的二维材料以增加相干时间，这反映了量子比特存储信息的时间。新的设备设计应该能够将设备进一步缩小，通过将这些元素组合成一个单一的范德华堆栈，或者通过为电路的其他部分部署2D材料。
二维材料可能是实现量子计算机的关键，这项技术仍然处于非常早期，但是像这样的发现将刺激全世界的研究人员考虑二维材料的新应用。

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