哥倫比亞大學研究利用二維材料縮小量子位元
科技產業資訊室 (iKnow) - Lisa & 松勳 發表於 2021年12月10日
圖、哥倫比亞大學研究利用二維材料縮小量子位元
為了使量子電腦在速度和容量上超越傳統電腦，它們的量子位元（qubit）需要在同一波長上。然而，實現這一目標需要以尺寸為代價。普通電腦中使用的電晶體已經縮小到奈米（nanometer）等級，但超導量子位元仍然以毫米（millimeter）為標準。
將量子位元整合到體積越來越大的電路晶片中，意味著量子電腦將佔用大量的物理空間，無法成為可以放在背包中攜帶或配戴在手腕上的裝置。
為了縮小量子位元的體積，同時保持性能，需要一種新的方法來建造電容器（capacitor），以儲存為量子位元「供電」的能量。美國哥倫比亞大學教授James Hone的研究團隊與Raytheon BBN科技公司合作，最近展示了利用二維材料成功做出縮小體積的超導量子位元電容器。
過去，構建量子位元晶片工程師們需要使用平面電容器，將必要的帶電板並排放置。堆疊帶電板可以節省空間，但傳統的平行板電容器使用的金屬會干擾量子位元的訊息存儲。哥倫比亞大學的研究（2021年11月18日發表於《Nano Letter》），在兩個超導二硒化鈮（niobium diselenide）帶電板之間夾了氮化硼（boron nitride）的絕緣層。各層只有一個原子的厚度，透過凡得瓦力（van der Waals force）固定在一起。然後，研究團隊將電容器與鋁電路結合，創造出一個包含兩個量子位元的晶片，面積只有109平方微米，厚度僅為35奈米，比用傳統方法生產的晶片小1000倍。
當將量子位元晶片降溫到略高於絕對零度時，發現量子位元具有著相同的波長。研究團隊還觀察到量子相干性（quantum coherence）的特徵，意味著量子位元的量子狀態可以通過電脈衝進行操縱和讀出，雖然相干時間很短（略高於1微秒，與傳統方式製成的共面電容約為10微秒相比），但這只是探索二維材料在該領域使用的第一步。
麻省理工學院（MIT）於2021年8月發表在arXiv上的另一項研究，也利用二硒化鈮和氮化硼來為量子位元建造平行板電容器，甚至實現更長的相干時間（高達25微秒）顯示哥倫比亞大學的研究仍有進一步提高性能的空間。
往後，研究團隊將繼續改良製造技術，並測試其他類型的二維材料以延長相干時間，進一步能影響量子位元儲存資訊的時間。哥倫比亞大學教授James Hone表示，透過將各元素整合到單一的凡得瓦堆疊，或將電路的其他部分配置二維材料，使新的裝置設計更能夠進一步縮小尺寸。(820字；圖1)
研究發表：Miniaturizing Transmon Qubits Using van der Waals Materials
參考資料：
Shrinking Qubits for Quantum Computing with Atom-Thin Materials. Columbia Engineering, 2021/12/1.
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