Kuantum hesaplama, gelişimini etkileyen birçok teknik engelle birlikte, şeytani derecede karmaşık bir teknolojidir. Bu zorluklardan iki kritik konu öne çıkıyor: minyatürleştirme ve kübit kalitesi.
IBM, 2023 yılına kadar 1.121 kübitlik bir işlemciye ulaşmak için süper iletken kübit yol haritasını benimsedi ve bu, günümüzün kübit form faktörü ile 1.000 kübitin mümkün olduğu beklentisine yol açtı. Bununla birlikte, mevcut yaklaşımlar, küçük yongalar ölçeğinde çok büyük yongalar (bir kenarda 50 milimetre veya daha büyük) veya çok yongalı modüllerde yongaların kullanılmasını gerektirecektir. Bu yaklaşım işe yarayacak olsa da amaç, ölçeklenebilirliğe doğru daha iyi bir yol elde etmektir.
Şimdi MIT’deki araştırmacılar, hem kübitlerin boyutunu küçültebildiler hem de bunu komşu kübitler arasında meydana gelen girişimi azaltacak şekilde yaptılar. MIT araştırmacıları, bir cihaza eklenebilecek süper iletken kübitlerin sayısını 100 kat artırdı.
MIT Kuantum Mühendisliği Merkezi direktörü William Oliver, “Hem kübit minyatürleştirmeyi hem de kaliteyi ele alıyoruz” dedi. “Sadece sayının gerçekten önemli olduğu geleneksel transistör ölçeklemesinden farklı olarak, kübitler için büyük sayılar yeterli değildir, aynı zamanda yüksek performanslı olmalıdırlar. Kubit sayısı için performanstan ödün vermek, kuantum hesaplamada yararlı bir ticaret değildir. El ele gitmeliler.”
Kübit yoğunluğundaki bu büyük artışın ve parazitin azalmasının anahtarı, iki boyutlu malzemelerin, özellikle 2D yalıtkan altıgen bor nitrür (hBN) kullanımına bağlıdır. MIT araştırmacıları, süper iletken bir kübitin kapasitörlerinde yalıtkan oluşturmak için birkaç atomik tek hBN katmanının istiflenebileceğini gösterdi.
Tıpkı diğer kapasitörler gibi, bu süper iletken devrelerdeki kapasitörler, iki metal plaka arasına bir yalıtkan malzemenin sıkıştırıldığı bir sandviç şeklini alır. Bu kapasitörler için büyük fark, süper iletken devrelerin yalnızca aşırı düşük sıcaklıklarda -mutlak sıfırın (-273.15 °C) 0.02 dereceden daha az üzerinde- çalışabilmesidir.
Süper iletken kübitler, seyreltme buzdolabında 20 millikelvin kadar düşük sıcaklıklarda ölçülür.Nathan Fiske/MIT
Bu ortamda, PE-CVD silikon oksit veya silikon nitrür gibi iş için mevcut olan yalıtım malzemeleri, kuantum hesaplama uygulamaları için çok kayıplı olan birkaç kusura sahiptir. Bu malzeme eksikliklerinin üstesinden gelmek için, çoğu süper iletken devre, eş düzlemli kapasitörler olarak adlandırılanları kullanır. Bu kapasitörlerde, plakalar üst üste değil, yanal olarak konumlandırılmıştır.
Sonuç olarak, plakaların altındaki içsel silikon substrat ve daha küçük bir dereceye kadar plakaların üzerindeki vakum, kapasitör dielektrik işlevi görür. İç silikon kimyasal olarak saftır ve bu nedenle birkaç kusuru vardır ve büyük boyut, plaka arayüzlerindeki elektrik alanını seyreltir ve bunların tümü düşük kayıplı bir kapasitöre yol açar. Bu açık yüzlü tasarımdaki her plakanın yan boyutu, gerekli kapasitansı elde etmek için oldukça büyüktür (tipik olarak 100 x 100 mikrometre).
Büyük yanal konfigürasyondan uzaklaşmak için MIT araştırmacıları, çok az kusuru olan ve süper iletken kapasitör plakalarıyla uyumlu bir yalıtkan arayışına girdiler.
MIT Elektronik Araştırma Laboratuvarı’nın Mühendislik Kuantum Sistemleri grubunda bir araştırma bilimcisi olan ortak yazar Joel Wang, “hBN’yi incelemeyi seçtik çünkü temizliği ve kimyasal etkisizliği nedeniyle 2D malzeme araştırmalarında en yaygın kullanılan yalıtkandır” dedi.
hBN’nin her iki tarafında, MIT araştırmacıları 2D süper iletken malzeme olan niyobyum diselenid’i kullandılar. Wang’a göre, kapasitörleri üretmenin en zor yönlerinden biri, havaya maruz kaldığında saniyeler içinde oksitlenen niyobyum diselenid ile çalışmaktı. Bu, kondansatörün montajının argon gazı ile dolu bir torpido gözünde gerçekleşmesini gerektirir.
Bu, bu kapasitörlerin üretiminin ölçeklenmesini zorlaştıracak gibi görünse de, Wang bunu sınırlayıcı bir faktör olarak görmüyor.
Wang, “Kondansatörün kalite faktörünü belirleyen, iki malzeme arasındaki iki arayüzdür” dedi. “Sandviç yapıldıktan sonra, iki arayüz “mühürlenir” ve atmosfere maruz kaldığında zaman içinde gözle görülür bir bozulma görmüyoruz.”
Bu bozunma eksikliği, elektrik alanının yaklaşık yüzde 90’ının sandviç yapı içinde bulunmasından kaynaklanmaktadır, bu nedenle niyobyum diselenid’in dış yüzeyinin oksidasyonu artık önemli bir rol oynamamaktadır. Bu sonuçta kapasitör ayak izini çok daha küçük yapar ve komşu kübitler arasındaki çapraz konuşmadaki azalmayı hesaba katar.
“Üretimi büyütmek için ana zorluk, hBN ve 2D süper iletkenlerin gofret ölçeğinde büyümesi olacaktır. [niobium diselenide]ve bu filmlerin gofret ölçeğinde istiflenmesinin nasıl yapılabileceğini,” diye ekledi Wang.
Wang, bu araştırmanın 2D hBN’nin süper iletken kübitler için iyi bir yalıtkan adayı olduğunu gösterdiğine inanıyor. MIT ekibinin yaptığı temel çalışmanın, süper iletken devreler inşa etmek için diğer hibrit 2D malzemeleri kullanmak için bir yol haritası görevi göreceğini söylüyor.