المواد الرقيقة ذريًا تتقلص بشكل ملحوظ Qubits
الحوسبة الكمومية هي تقنية معقدة بشكل شيطاني ، مع العديد من العقبات التقنية التي تؤثر على تطورها. من بين هذه التحديات ، تبرز قضيتان هامتان: التصغير وجودة الكيوبت.
تبنت IBM خارطة طريق كيوبت فائقة التوصيل للوصول إلى معالج 1،121 كيلوبت بحلول عام 2023 ، مما أدى إلى توقع أن 1000 كيوبت مع عامل الشكل كيوبت اليوم أمر ممكن. ومع ذلك ، ستتطلب الأساليب الحالية شرائح كبيرة جدًا (50 ملم على جانب ، أو أكبر) على نطاق الرقائق الصغيرة ، أو استخدام شرائح على وحدات متعددة الرقائق. بينما سيعمل هذا النهج ، فإن الهدف هو الوصول إلى مسار أفضل نحو قابلية التوسع.
تمكن الباحثون الآن في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا من تقليل حجم الكيوبتات وفعلوا ذلك بطريقة تقلل من التداخل الذي يحدث بين الكيوبتات المجاورة. زاد باحثو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا من عدد الكيوبتات فائقة التوصيل التي يمكن إضافتها إلى الجهاز بمعامل 100.
قال ويليام أوليفر ، مدير مركز هندسة الكم في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: “نحن نتعامل مع تصغير الكيوبت والجودة”. “على عكس مقياس الترانزستور التقليدي ، حيث العدد فقط هو المهم حقًا ، بالنسبة للكيوبتات ، فإن الأعداد الكبيرة ليست كافية ، بل يجب أيضًا أن تكون عالية الأداء. التضحية بالأداء مقابل عدد كيوبت ليس تجارة مفيدة في الحوسبة الكمومية. يجب أن يسيران يدا بيد “.
يعود مفتاح هذه الزيادة الكبيرة في كثافة الكيوبت وتقليل التداخل إلى استخدام المواد ثنائية الأبعاد ، ولا سيما نيتريد البورون السداسي العازل ثنائي الأبعاد (hBN). أوضح باحثو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا أنه يمكن تكديس عدد قليل من الطبقات الأحادية الذرية من hBN لتشكيل عازل في مكثفات كيوبت فائق التوصيل.
تمامًا مثل المكثفات الأخرى ، تأخذ المكثفات في هذه الدوائر فائقة التوصيل شكل شطيرة حيث يتم وضع مادة عازلة بين لوحين معدنيين. الاختلاف الكبير بين هذه المكثفات هو أن الدوائر فائقة التوصيل يمكنها العمل فقط في درجات حرارة منخفضة للغاية – أقل من 0.02 درجة فوق الصفر المطلق (-273.15 درجة مئوية).
تُقاس الكيوبتات فائقة التوصيل عند درجات حرارة منخفضة تصل إلى 20 مللي كلفن في ثلاجة التخفيف.ناثان فيسك / معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا
في تلك البيئة ، تحتوي المواد العازلة المتاحة للوظيفة ، مثل أكسيد السيليكون PE-CVD أو نيتريد السيليكون ، على عدد غير قليل من العيوب التي تكون ضائعة جدًا لتطبيقات الحوسبة الكمومية. للتغلب على أوجه القصور هذه في المواد ، تستخدم معظم الدوائر فائقة التوصيل ما يسمى بالمكثفات المستوية. في هذه المكثفات ، يتم وضع الصفائح بشكل جانبي مع بعضها البعض ، بدلاً من وضعها فوق بعضها البعض.
نتيجة لذلك ، فإن ركيزة السيليكون الجوهرية الموجودة أسفل الألواح وبدرجة أقل الفراغ الموجود فوق الألواح تعمل كمكثف عازل. السليكون الداخلي نقي كيميائيًا وبالتالي به عيوب قليلة ، والحجم الكبير يخفف المجال الكهربائي في واجهات الصفيحة ، وكل ذلك يؤدي إلى مكثف منخفض الفقد. ينتهي الأمر بالحجم الجانبي لكل لوحة في تصميم الوجه المفتوح هذا إلى أن يكون كبيرًا جدًا (عادةً 100 × 100 ميكرومتر) من أجل تحقيق السعة المطلوبة.
في محاولة للابتعاد عن التكوين الجانبي الكبير ، شرع باحثو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في البحث عن عازل به عيوب قليلة جدًا ومتوافق مع لوحات المكثف فائقة التوصيل.
قال المؤلف المشارك جويل وانج ، عالم أبحاث في مجموعة أنظمة الكم الهندسية بمختبر أبحاث معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا للإلكترونيات: “اخترنا دراسة hBN لأنه أكثر العوازل استخدامًا في أبحاث المواد ثنائية الأبعاد نظرًا لنظافته وخامله الكيميائي”.
على جانبي hBN ، استخدم باحثو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا مادة ثنائية الأبعاد فائقة التوصيل ، وهي النيوبيوم ديسلينيد. كان من أصعب جوانب تصنيع المكثفات العمل مع ثنائي سيلينيد النيوبيوم ، الذي يتأكسد في ثوانٍ عند تعرضه للهواء ، وفقًا لما ذكره وانغ. هذا يستلزم أن يتم تجميع المكثف في علبة قفاز مملوءة بغاز الأرجون.
في حين أن هذا قد يعقد على ما يبدو زيادة إنتاج هذه المكثفات ، إلا أن وانج لا يعتبر هذا عاملاً مقيدًا.
قال وانغ: “ما يحدد عامل الجودة للمكثف هو الواجهتان البينيتان بين المادتين”. “بمجرد صنع الساندويتش ، يتم” إغلاق “الواجهتين ولا نرى أي تدهور ملحوظ بمرور الوقت عند تعرضنا للغلاف الجوي.”
يرجع هذا النقص في التحلل إلى أن حوالي 90 في المائة من المجال الكهربائي موجود داخل هيكل الشطيرة ، وبالتالي فإن أكسدة السطح الخارجي لثنائي سيلينيد النيوبيوم لم يعد يلعب دورًا مهمًا بعد الآن. يؤدي هذا في النهاية إلى جعل مساحة المكثف أصغر بكثير ، وهو مسؤول عن تقليل الحديث المتبادل بين الكيوبتات المجاورة.
“يتمثل التحدي الرئيسي لتوسيع نطاق التصنيع في النمو على نطاق الرقاقة من hBN والموصلات الفائقة ثنائية الأبعاد مثل [niobium diselenide]، وكيف يمكن للمرء القيام بتكديس هذه الأفلام على نطاق الرقاقة “، أضاف وانغ.
يعتقد وانغ أن هذا البحث أظهر أن hBN ثنائي الأبعاد مرشح جيد للعازل للكيوبتات فائقة التوصيل. ويقول إن العمل الأساسي الذي قام به فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا سيكون بمثابة خارطة طريق لاستخدام مواد هجينة أخرى ثنائية الأبعاد لبناء دوائر فائقة التوصيل.
