科学探索|超薄材料有望带来量子计算的巨大进步超薄材料有望带来量子计算的

使用超薄材料来缩小超导量子比特的尺寸可能为个人大小的量子设备铺平道路。与经典计算机中的晶体管一样，超导量子比特也是量子计算机的构建模块。虽然工程师已经能够将晶体管缩小到纳米级，但是超导量子比特仍然是以毫米为单位的，这是实用的量子计算设备无法缩小到智能手机大小的原因之一。
麻省理工学院的研究人员现在使用超薄材料来建造超导量子比特，其尺寸至少是传统设计的百分之一，并且相邻量子比特之间的干扰较少。这一进展可以提高量子计算机的性能，并能借此开发出更小的量子设备。
研究人员已经证明，六方氮化硼，一种仅由几个单层原子组成的材料可以被堆叠起来，形成超导量子比特上的电容器中的绝缘体。这种无缺陷的材料使电容器比通常用于量子轨道的电容器小得多，这就缩小了它的占地面积，而不会明显牺牲性能。
此外，研究人员表明，这些较小的电容器的结构应该大大减少交叉串扰，交叉串扰发生在一个量子比特无意中影响到周围的量子比特。

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麻省理工学院的研究人员利用二维材料六方氮化硼为超导量子比特建造了小得多的电容器，使他们能够在不牺牲性能的情况下将量子比特的占地面积缩小两个数量级
"现在，我们在一个设备中可能有50或100个量子比特，但为了将来的实际使用，我们在一个设备中需要数千或数百万的量子比特。因此，将每个单独的量子比特的尺寸小型化，同时避免这几十万个量子比特之间不必要的串扰，将是非常重要的。这是我们发现的可以用于这种结构的极少数材料之一， "共同第一作者Joel Wang说，他是麻省理工学院电子研究实验室工程量子系统组的研究科学家。
Wang的共同主要作者是20岁的Megan Yamoah ，她曾是工程量子系统组的学生，目前正以罗兹奖学金在牛津大学学习。Cecil and Ida Green物理学教授Pablo Jarillo-Herrero是通讯作者，高级作者是William D. Oliver ，他是电子工程和计算机科学以及物理学教授，麻省理工学院林肯实验室研究员，量子工程中心主任，以及电子学研究实验室副主任。该研究发表于2022年1月27日的《自然-材料》杂志。
超导量子比特是一种特殊的量子计算平台，它使用超导电路，包含电感和电容。就像在收音机或其他电子设备中，这些电容器储存了电场能量。电容器的构造通常像一个三明治，在绝缘或电介质材料的两侧有金属板。
但与收音机不同的是，超导量子计算机在超低温下工作--比绝对零度（-273.15摄氏度）高不到0.02度--并且具有非常高频的电场，类似于今天的手机。在这个工况下工作的大多数绝缘材料都有缺陷。虽然对大多数经典应用无害，但当量子相干信息通过电介质层时，可能会以某种随机方式丢失或被吸收。
"大多数用于集成电路的普通电介质，如氧化硅或氮化硅，有许多缺陷，导致质量系数在500至1000左右。这对于量子计算的应用来说，损失太大， "Oliver说。
为了解决这个问题，传统的量子比特电容器更像是开放式的三明治，没有顶板，真空位于底板上方，作为绝缘层。