Quantencomputing ist eine teuflisch komplexe Technologie, deren Entwicklung mit zahlreichen technischen Hindernissen konfrontiert ist. Unter diesen Herausforderungen stechen zwei entscheidende Fragen hervor: Miniaturisierung und die Qualität von Qubits.
IBM hat die Roadmap für supraleitende Qubits übernommen, die darauf abzielt, bis 2023 einen Prozessor mit 1.121 Qubits zu erreichen, was die Hoffnung weckt, dass 1.000 Qubits mit dem aktuellen Qubit-Formfaktor erreichbar sind. Aktuelle Ansätze erfordern jedoch sehr große Chips (50 Millimeter pro Seite oder mehr), die auf kleine Wafer skaliert werden, oder die Verwendung von Chiplets auf Multi-Chip-Modulen. Auch wenn dieser Ansatz funktionieren wird, besteht das Ziel darin, einen besseren Weg zur Skalierbarkeit zu finden.
Heute ist es MIT-Forschern gelungen, die Größe von Qubits zu reduzieren und gleichzeitig die Interferenzen zwischen benachbarten Qubits zu reduzieren. MIT-Forscher haben die Anzahl der supraleitenden Qubits, die einem Gerät hinzugefügt werden können, um das Hundertfache erhöht.
„Wir befassen uns sowohl mit Miniaturisierung als auch mit der Qualität von Qubits“, sagte William Oliver, Direktor des Center for Quantum Engineering am MIT. „Im Gegensatz zur herkömmlichen Transistor-Skalierung, bei der nur die Anzahl wirklich zählt, reichen für Qubits große Zahlen nicht aus, sie müssen auch eine gute Leistung erbringen.“ Leistung für die Anzahl der Qubits zu opfern, ist im Quantencomputing kein sinnvoller Beruf. Sie müssen Hand in Hand gehen.
Der Schlüssel zu dieser starken Steigerung der Qubit-Dichte und der Verringerung von Interferenzen liegt in der Verwendung zweidimensionaler Materialien, insbesondere des 2D-isolierenden hexagonalen Bornitrids (hBN). MIT-Forscher haben gezeigt, dass einige atomare Monoschichten hBN gestapelt werden können, um die Isolierung für die Kondensatoren eines supraleitenden Qubits zu bilden.
Genau wie andere Kondensatoren haben die Kondensatoren in diesen supraleitenden Schaltkreisen die Form eines Sandwichs, bei dem ein Isoliermaterial zwischen zwei Metallplatten eingeschlossen ist. Der große Unterschied zwischen diesen Kondensatoren besteht darin, dass supraleitende Schaltkreise nur bei extrem niedrigen Temperaturen arbeiten können, weniger als 0,02 Grad über dem absoluten Nullpunkt (-273,15 °C).
Supraleitende Qubits werden in einem Verdünnungskühlschrank bei Temperaturen von nur 20 Millikelvin gemessen.Nathan Fiske/MIT
In dieser Umgebung weisen die für diese Aufgabe verfügbaren Isoliermaterialien wie Siliziumoxid PE-CVD oder Siliziumnitrid viele Defekte auf, die zu zu vielen Verlusten für Quantencomputeranwendungen führen. Um diese Hardwaremängel zu umgehen, verwenden die meisten supraleitenden Schaltkreise sogenannte koplanare Kondensatoren. Bei diesen Kondensatoren sind die Platten seitlich zueinander und nicht übereinander positioniert.
Infolgedessen dienen das intrinsische Siliziumsubstrat unter den Platten und in geringerem Maße das Vakuum über den Platten als Dielektrikum für den Kondensator. Intrinsisches Silizium ist chemisch rein und weist daher nur wenige Defekte auf, und seine große Größe verdünnt das elektrische Feld an den Plattengrenzflächen, was zu einem verlustarmen Kondensator führt. Die Seitengröße jeder Platte in diesem offenen Design ist letztendlich ziemlich groß (typischerweise 100 x 100 Mikrometer), um die erforderliche Kapazität zu erreichen.
Um von der großen lateralen Konfiguration wegzukommen, begannen MIT-Forscher mit der Suche nach einem Isolator mit sehr wenigen Defekten, der mit supraleitenden Kondensatorplatten kompatibel ist.
„Wir haben uns für die Untersuchung von hBN entschieden, weil es aufgrund seiner Sauberkeit und chemischen Inertheit der am häufigsten verwendete Isolator in der 2D-Materialforschung ist“, sagte Hauptautor Joel Wang, Forschungswissenschaftler in der Gruppe „Engineering Quantum Systems“ am MIT Electronics Research Laboratory.
Auf beiden Seiten des hBN verwendeten die MIT-Forscher das zweidimensionale supraleitende Material Niobdiselenid. Einer der schwierigsten Aspekte bei der Herstellung der Kondensatoren war laut Wang die Arbeit mit Niobdiselenid, das an der Luft innerhalb von Sekunden oxidiert. Dies erfordert, dass die Kondensatormontage in einer mit Argon gefüllten Handschuhbox erfolgt.
Obwohl dies die Ausweitung der Produktion dieser Kondensatoren scheinbar erschwert, sieht Wang darin keinen limitierenden Faktor.
„Was den Qualitätsfaktor des Kondensators bestimmt, sind die beiden Grenzflächen zwischen den beiden Materialien“, sagte Wang. „Sobald das Sandwich hergestellt ist, sind die beiden Grenzflächen „versiegelt“ und wir sehen im Laufe der Zeit keine nennenswerte Verschlechterung, wenn es der Atmosphäre ausgesetzt wird.
Diese mangelnde Degradation ist darauf zurückzuführen, dass etwa 90 % des elektrischen Feldes in der Sandwichstruktur enthalten sind, sodass die Oxidation der Außenoberfläche des Niobdiselenids keine wesentliche Rolle mehr spielt. Letztendlich reduziert dies den Platzbedarf des Kondensators erheblich und trägt zur Verringerung des Übersprechens zwischen benachbarten Qubits bei.
„Die größte Herausforderung für die Produktionsskalierung wird das Wachstum von hBN und 2D-Supraleitern im Wafermaßstab sein [niobium diselenide]und wie wir diese Filme im Slice-Maßstab stapeln können“, fügte Wang hinzu.
Wang glaubt, dass diese Forschung gezeigt hat, dass 2D-hBN ein guter Isolatorkandidat für supraleitende Qubits ist. Er sagt, dass die vom MIT-Team geleistete Grundlagenarbeit als Fahrplan für die Verwendung anderer 2D-Hybridmaterialien zum Aufbau supraleitender Schaltkreise dienen wird.