원자적으로 얇은 소재로 큐비트를 대폭 축소

양자 컴퓨팅은 엄청나게 복잡한 기술로, 개발에 영향을 미치는 많은 기술적 장애물이 있습니다. 이러한 과제 중에서 소형화와 큐비트 품질이라는 두 가지 중요한 문제가 두드러집니다.

IBM은 2023년까지 1,121큐비트 프로세서에 도달한다는 초전도 큐비트 로드맵을 채택하여 오늘날의 큐비트 폼 팩터로 1,000큐비트가 가능하다는 기대를 갖게 되었습니다. 그러나 현재 접근 방식에서는 작은 웨이퍼 규모의 매우 큰 칩(한 면이 50mm 이상)이 필요하거나 멀티칩 모듈에서 칩렛을 사용해야 합니다. 이 접근 방식은 효과가 있지만 목표는 확장성을 향한 더 나은 경로를 달성하는 것입니다.

이제 연구원들은 MIT는 큐비트의 크기를 줄일 수 있었습니다. 이는 인접한 큐비트 간에 발생하는 간섭을 줄이는 방식으로 수행됩니다. MIT 연구진은 장치에 추가할 수 있는 초전도 큐비트 수를 100배 늘렸습니다.

“우리는 큐비트 소형화와 품질 모두를 다루고 있습니다.”라고 말했습니다. 윌리엄 올리버감독 양자공학센터 MIT에서. “숫자만 중요한 기존 트랜지스터 스케일링과 달리 큐비트의 경우 숫자가 많아도 충분하지 않으며 고성능이어야 합니다. 큐비트 수를 위해 성능을 희생하는 것은 양자 컴퓨팅에서 유용한 거래가 아닙니다. 그들은 손을 잡고 가야합니다.”

큐비트 밀도의 큰 증가와 간섭 감소의 핵심은 2차원 재료, 특히 2D 절연체 hBN(육각형 질화붕소)을 사용하는 데 있습니다. MIT 연구원들은 몇 개의 hBN 원자 단층이 적층되어 초전도 큐비트의 커패시터에 절연체를 형성할 수 있음을 입증했습니다.

다른 커패시터와 마찬가지로 이러한 초전도 회로의 커패시터는 두 개의 금속판 사이에 절연체 재료가 끼워진 샌드위치 형태를 취합니다. 이러한 커패시터의 가장 큰 차이점은 초전도 회로가 절대 영도(-273.15°C)보다 0.02도 미만인 매우 낮은 온도에서만 작동할 수 있다는 것입니다.

초전도 큐비트는 희석 냉장고에서 20밀리켈빈 정도의 낮은 온도에서 측정됩니다.네이선 피스크/MIT

이러한 환경에서 PE-CVD 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물과 같이 작업에 사용할 수 있는 절연 재료에는 양자 컴퓨팅 응용 프로그램에 너무 손실이 많은 결함이 상당히 많습니다. 이러한 물질적 단점을 해결하기 위해 대부분의 초전도 회로는 동일 평면 커패시터라고 불리는 것을 사용합니다. 이러한 커패시터에서 플레이트는 서로의 상단이 아닌 서로 옆으로 배치됩니다.

결과적으로, 플레이트 아래의 고유 실리콘 기판과 플레이트 위의 진공이 커패시터 유전체 역할을 합니다. 고유 실리콘은 화학적으로 순수하므로 결함이 거의 없으며, 큰 크기는 플레이트 인터페이스의 전기장을 희석시켜 저손실 커패시터로 이어집니다. 이 개방형 디자인에서 각 플레이트의 측면 크기는 필요한 정전 용량을 달성하기 위해 상당히 커집니다(일반적으로 100 x 100 마이크로미터).

큰 측면 구성에서 벗어나려는 노력의 일환으로 MIT 연구원들은 결함이 거의 없고 초전도 커패시터 플레이트와 호환되는 절연체 검색에 착수했습니다.

공동 저자는 “hBN은 청결성과 화학적 불활성으로 인해 2D 재료 연구에서 가장 널리 사용되는 절연체이기 때문에 우리는 hBN을 연구하기로 결정했습니다.”라고 말했습니다. 조엘 왕MIT 전자 연구소의 양자 시스템 엔지니어링 그룹의 연구 과학자입니다.

MIT 연구진은 hBN의 양쪽에 2차원 초전도 물질인 니오븀 디셀레나이드를 사용했습니다. Wang에 따르면 커패시터 제조에서 가장 까다로운 측면 중 하나는 공기에 노출되면 몇 초 만에 산화되는 니오븀 디셀레나이드를 사용하는 것이었습니다. 이를 위해서는 아르곤 가스가 채워진 글러브 박스에서 커패시터 조립이 이루어져야 합니다.

이것이 이러한 커패시터 생산의 규모 확장을 복잡하게 만드는 것처럼 보이지만 Wang은 이를 제한 요인으로 간주하지 않습니다.

“커패시터의 품질 요소를 결정하는 것은 두 재료 사이의 두 인터페이스입니다.”라고 Wang은 말했습니다. “샌드위치가 만들어지면 두 개의 인터페이스가 “밀폐”되며 대기에 노출되어도 시간이 지나도 눈에 띄는 성능 저하가 발생하지 않습니다.”

이러한 열화 부족은 전기장의 약 90%가 샌드위치 구조 내에 포함되어 있어 니오븀 디셀레나이드 외부 표면의 산화가 더 이상 중요한 역할을 하지 않기 때문입니다. 이는 궁극적으로 커패시터 설치 공간을 훨씬 더 작게 만들고 인접한 큐비트 간의 누화 감소를 설명합니다.

“제조 규모를 확대하기 위한 주요 과제는 hBN과 2D 초전도체의 웨이퍼 규모 성장이 될 것입니다. [niobium diselenide]그리고 이러한 필름을 웨이퍼 규모로 적층할 수 있는 방법에 대해 설명합니다.”라고 Wang은 덧붙였습니다.

Wang은 이 연구가 2D hBN이 초전도 큐비트를 위한 좋은 절연체 후보임을 보여주었다고 믿습니다. 그는 MIT 팀이 수행한 기초 작업이 다른 하이브리드 2D 재료를 사용하여 초전도 회로를 구축하기 위한 로드맵 역할을 할 것이라고 말했습니다.