För att kvantdatorer ska överträffa sina klassiska motsvarigheter i hastighet och kapacitet, måste deras qubits – som är supraledande kretsar som kan existera i en oändlig kombination av binära tillstånd – vara på samma våglängd. Att uppnå detta har dock kommit på bekostnad av storleken. Medan transistorerna som används i klassiska datorer har krympts ner till nanometerskalor, mäts supraledande qubits idag fortfarande i millimeter - en millimeter är en miljon nanometer.

Kombinera qubits till större och större kretschips, och du får, relativt sett, ett stort fysiskt fotavtryck, vilket innebär att kvantdatorer tar upp mycket fysisk plats. Dessa är ännu inte enheter vi kan bära i våra ryggsäckar eller bära på handleden.

För att krympa qubits samtidigt som de bibehåller sina prestanda, behöver fältet ett nytt sätt att bygga kondensatorerna som lagrar energin som "driver" qubitarna. I samarbete med Raytheon BBN Technologies demonstrerade Wang Fong-Jen Professor James Hones labb vid Columbia Engineering nyligen en supraledande qubit-kondensator byggd med 2D-material som är en bråkdel av tidigare storlekar.

För att bygga qubit-chips tidigare har ingenjörer varit tvungna att använda plana kondensatorer, som sätter de nödvändiga laddade plattorna sida vid sida. Att stapla dessa plattor skulle spara utrymme, men metallerna som används i konventionella parallellkondensatorer stör qubit-informationslagring. I det aktuella verket, publicerat den 18 november i Nano Letters , Hones Ph.D. eleverna Abhinandan Antony och Anjaly Rajendra klämde in ett isolerande skikt av bornitrid mellan två laddade plattor av supraledande niobdieselenid. Dessa lager är var och en bara en enda atom tjock och hålls samman av van der Waals krafter, den svaga interaktionen mellan elektroner. Teamet kombinerade sedan sina kondensatorer med aluminiumkretsar för att skapa ett chip som innehöll två qubits med en yta på 109 kvadratmikrometer och bara 35 nanometer tjock - det är 1 000 gånger mindre än chips som produceras med konventionella metoder.

När de kylde ner sitt qubit-chip till strax över den absoluta nollpunkten hittade qubitarna samma våglängd. Teamet observerade också nyckelegenskaper som visade att de två qubitarna blev intrasslade och fungerade som en enda enhet, ett fenomen som kallas kvantkoherens; det skulle innebära att qubitens kvanttillstånd kunde manipuleras och läsas ut via elektriska pulser, sa Hone. Koherenstiden var kort – lite över 1 mikrosekund, jämfört med cirka 10 mikrosekunder för en konventionellt byggd koplanär kondensator, men detta är bara ett första steg i att utforska användningen av 2D-material i detta område, sa han.

Separat arbete publicerat på arXiv i augusti från forskare vid MIT drog också fördel av niobiumdiselenid och bornitrid för att bygga parallellplatta kondensatorer för qubits. De enheter som studerats av MIT-teamet visade ännu längre koherenstider – upp till 25 mikrosekunder – vilket indikerar att det fortfarande finns utrymme för att förbättra prestandan ytterligare.
Härifrån kommer Hone och hans team att fortsätta att förfina sina tillverkningstekniker och testa andra typer av 2D-material för att öka koherenstiderna, vilket återspeglar hur länge qubiten lagrar information. Nya enhetsdesigner borde kunna krympa saker ytterligare, sa Hone, genom att kombinera elementen i en enda van der Waals-stack eller genom att distribuera 2D-material för andra delar av kretsen.

"Vi vet nu att 2D-material kan vara nyckeln till att göra kvantdatorer möjliga," sa Hone. "Det är fortfarande mycket tidiga dagar, men fynd som dessa kommer att sporra forskare över hela världen att överväga nya tillämpningar av 2D-material. Vi hoppas att se mycket mer arbete i den här riktningen framöver." + Utforska vidare

IBM tillkännager utveckling av 127-qubit kvantprocessor