图 1超导量子处理器及其微波封装。

量子计算是一项极其复杂的技术，其发展受到许多技术障碍的影响。在这些挑战中，有两个关键问题很突出：小型化和量子比特质量。

IBM 已经采用了到 2023 年达到 1,121 量子位处理器的超导量子位路线图，从而预期具有当今量子位形状因子的 1,000 个量子位是可行的。然而，目前的方法将需要非常大的芯片（单边 50 毫米或更大），在小晶圆的规模上，或者在多芯片模块上使用小芯片。虽然这种方法会奏效，但其目的是获得更好的可扩展性路径。

现在，麻省理工学院的研究人员已经能够减小量子比特的大小，并且能够减少相邻量子比特之间发生的干扰。麻省理工学院的研究人员将可以添加到设备上的超导量子比特的数量增加了 100 倍。

“我们正在解决量子比特小型化和质量问题，”麻省理工学院量子工程中心主任威廉奥利弗说。“与传统的晶体管缩放不同，只有数量才是真正重要的，对于量子位来说，大数量是不够的，它们还必须是高性能的。牺牲量子比特数的性能在量子计算中不是有用的交易。他们必须齐头并进。”

量子位密度大幅增加和干扰减少的关键在于使用二维材料，特别是二维绝缘体六方氮化硼 (hBN)。麻省理工学院的研究人员证明，可以堆叠一些 hBN 原子单层，以形成超导量子比特电容器中的绝缘体。

就像其他电容器一样，这些超导电路中的电容器采用夹层形式，其中绝缘材料夹在两个金属板之间。这些电容器的最大区别在于，超导电路只能在极低的温度下运行——比绝对零高不到 0.02 度（-273.15°C）。

垂直悬挂的金色稀释冰箱超导量子比特是在稀释冰箱中在低至 20 毫开尔文的温度下测量的。在那种环境下，可用于这项工作的绝缘材料，例如 PE-CVD 氧化硅或氮化硅，具有相当多的缺陷，这些缺陷对于量子计算应用来说损耗太大。为了克服这些材料缺陷，大多数超导电路使用所谓的共面电容器。在这些电容器中，极板彼此横向放置，而不是彼此重叠。

结果，极板下方的本征硅衬底以及极板上方的较小程度的真空充当电容器电介质。本征硅是化学纯的，因此几乎没有缺陷，而且大尺寸会稀释极板界面处的电场，所有这些都导致了低损耗电容器。在这种开放式设计中，每个板的横向尺寸最终都非常大（通常为 100 x 100 微米），以实现所需的电容。

为了摆脱大横向配置，麻省理工学院的研究人员开始寻找一种缺陷很少且与超导电容器板兼容的绝缘体。

“我们之所以选择研究 hBN，是因为它具有清洁度和化学惰性，是二维材料研究中使用最广泛的绝缘体，”共同主要作者、麻省理工学院电子研究实验室工程量子系统组的研究科学家Joel Wang说。

在 hBN 的两侧，麻省理工学院的研究人员使用了二维超导材料二硒化铌。据王说，制造电容器最棘手的方面之一是使用二硒化铌，当它暴露在空气中时，它会在几秒钟内氧化。这需要电容器的组装在充满氩气的手套箱中进行。

虽然这似乎会使扩大这些电容器的生产规模变得复杂，但Joel Wang并不认为这是一个限制因素。

“决定电容器品质因数的是两种材料之间的两个界面，”Joel Wang说。“一旦制成三明治，两个界面就会被‘密封’，当暴露在大气中时，我们看不到任何明显的退化。”

这种没有降解是因为大约 90% 的电场包含在夹层结构内，因此二硒化铌外表面的氧化不再发挥重要作用。这最终使电容器的占位面积更小，并且可以减少相邻量子位之间的串扰。

“扩大制造规模的主要挑战将是 hBN 和 2D 超导体（如二硒化铌）的晶圆级生长，以及如何对这些薄膜进行晶圆级堆叠，”Joel Wang 补充道。

Joel Wang 认为，这项研究表明 2D hBN 是超导量子比特的良好绝缘体候选者。他说，麻省理工学院团队所做的基础工作将作为使用其他混合二维材料构建超导电路的路线图。

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