“Materiali atomicamente sottili: la chiave per la riduzione dei qubit nella computazione quantistica”
Materiali atomicamente sottili riducono significativamente i qubit
La computazione quantistica è una tecnologia estremamente complessa, con molte sfide tecniche che ne influenzano lo sviluppo. Di queste sfide, due questioni critiche emergono: la miniaturizzazione e la qualità dei qubit.
IBM ha adottato la roadmap dei qubit superconduttori per raggiungere un processore da 1.121 qubit entro il 2023, portando all’aspettativa che 1.000 qubit con l’attuale fattore di forma dei qubit siano fattibili. Tuttavia, gli approcci attuali richiederanno chip molto grandi (50 millimetri per lato, o più grandi) alla scala di piccole fette, o l’uso di chiplet su moduli multichip. Sebbene questo approccio funzionerà, l’obiettivo è raggiungere un percorso migliore verso la scalabilità.
Adesso i ricercatori del MIT sono stati in grado di ridurre le dimensioni dei qubit e lo hanno fatto in modo da ridurre le interferenze che si verificano tra i qubit vicini. I ricercatori del MIT hanno aumentato il numero di qubit superconduttori che possono essere aggiunti a un dispositivo di un fattore di 100.
“Stiamo affrontando sia la miniaturizzazione dei qubit che la qualità,” ha dichiarato William Oliver, direttore del Centro per l’Ingegneria Quantistica al MIT. “A differenza della scalabilità dei transistor convenzionali, dove conta solo il numero, per i qubit, grandi numeri non sono sufficienti, devono anche essere ad alte prestazioni. Sacrificare le prestazioni per il numero di qubit non è uno scambio utile nella computazione quantistica. Devono andare di pari passo.”
La chiave di questo grande aumento della densità dei qubit e della riduzione delle interferenze risiede nell’uso di materiali bidimensionali, in particolare l’isolante bidimensionale nitruro di boro esagonale (hBN). I ricercatori del MIT hanno dimostrato che pochi monolayer atomici di hBN possono essere impilati per formare l’isolante nei condensatori di un qubit superconduttore.
Come altri condensatori, i condensatori in questi circuiti superconduttori assumono la forma di un sandwich in cui un materiale isolante è interposto tra due piastre metalliche. La grande differenza per questi condensatori è che i circuiti superconduttori possono funzionare solo a temperature estremamente basse – meno di 0,02 gradi sopra lo zero assoluto (-273,15 °C).
I qubit superconduttori vengono misurati a temperature inferiori a 20 millikelvin in un frigorifero a diluizione.Nathan Fiske/MIT
In quell’ambiente, i materiali isolanti disponibili per il compito, come il biossido di silicio PE-CVD o il nitruro di silicio, presentano parecchi difetti troppo dissipativi per le applicazioni di computazione quantistica. Per aggirare questi difetti dei materiali, la maggior parte dei circuiti superconduttori utilizza i cosiddetti condensatori coplanari. In questi condensatori, le piastre sono posizionate lateralmente l’una rispetto all’altra, piuttosto che una sopra l’altra.
Come risultato, il substrato di silicio intrinseco sotto le piastre e in misura minore il vuoto sopra le piastre fungono da dielettrico del condensatore. Il silicio intrinseco è chimicamente puro e quindi presenta pochi difetti, e le dimensioni grandi diluiscono il campo elettrico alle interfacce delle piastre, il che porta a un condensatore a bassa perdita. Le dimensioni laterali di ciascuna piastra in questo design a faccia aperta finiscono per essere piuttosto grandi (tipicamente 100 per 100 micrometri) per raggiungere la capacità richiesta.
Nel tentativo di allontanarsi dalla configurazione laterale grande, i ricercatori del MIT si sono impegnati nella ricerca di un isolante che abbia pochi difetti e sia compatibile con le piastre del condensatore superconduttore.
“Abbiamo scelto di studiare l’hBN perché è l’isolante più ampiamente usato nella ricerca sui materiali 2D a causa della sua pulizia e inerzia chimica,” ha detto il coautore Joel Wang, un ricercatore scientifico nel gruppo di Ingegneria dei Sistemi Quantistici del Laboratorio di Ricerca Elettronica del MIT.
Sui lati dell’hBN, i ricercatori del MIT hanno utilizzato il materiale superconduttore 2D, diseleniuro di niobio. Uno degli aspetti più complicati della fabbricazione dei condensatori è stato lavorare con il diseleniuro di niobio, che si ossida in pochi secondi quando esposto all’aria, secondo Wang. Questo rende necessario che l’assemblaggio del condensatore avvenga in una scatola a guanto riempita con gas argon.
Sebbene questo sembrerebbe complicare la scalabilità della produzione di questi condensatori, Wang non considera questo un fattore limitante.
“Ciò che determina il fattore di qualità del condensatore sono le due interfacce tra i due materiali,” ha detto Wang. “Una volta che il sandwich è fatto, le due interfacce sono “sigillate” e non notiamo alcun degrado nel tempo quando esposte all’atmosfera.”
Questo mancato degrado è dovuto al fatto che circa il 90 percento del campo elettrico è contenuto nella struttura a sandwich, quindi l’ossidazione della superficie esterna del diseleniuro di niobio non gioca più un ruolo significativo. Questo rende alla fine l’ingombro del condensatore molto più piccolo, e spiega la riduzione delle interferenze tra i qubit vicini.
“La principale sfida per scalare la fabbricazione sarà la crescita su scala di wafer di hBN e superconduttori 2D come [diseleniuro di niobio], e come si può impilare su scala di wafer di questi film,” ha aggiunto Wang.
Wang ritiene che questa ricerca abbia dimostrato che l’hBN 2D sia un buon candidato isolante per i qubit superconduttori. Egli afferma che il lavoro preliminare svolto dal team del MIT servirà da guida per utilizzare altri materiali ibridi 2D per costruire circuiti superconduttori.
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