کوچک‌سازی کیوبیت‌های ابررسانا با مواد دوبعدی

مقدمه

رایانه‌های کوانتومی به‌عنوان نسل بعدی فناوری محاسباتی، وعده حل مسائلی را می‌دهند که رایانه‌های کلاسیک از عهده آن‌ها برنمی‌آیند. اما ساخت این رایانه‌ها با چالش‌های فنی متعددی روبه‌روست. دو مشکل اساسی، کوچک‌سازی کیوبیت‌ها و کیفیت آن‌هاست. کیوبیت واحد پایه اطلاعات کوانتومی است و برخلاف بیت کلاسیک که فقط صفر یا یک است، می‌تواند در برهم‌نهی از هر دو حالت قرار گیرد. پژوهشگران موسسه فناوری ماساچوست (MIT) اخیراً با استفاده از مواد دوبعدی، جهشی چشمگیر در افزایش چگالی کیوبیت‌ها و کاهش تداخل میان آن‌ها داشته‌اند.

کیوبیت ابررسانا و محدودیت‌های موجود

کیوبیت‌های ابررسانا یکی از امیدبخش‌ترین گزینه‌ها برای ساخت رایانه کوانتومی هستند. این کیوبیت‌ها در دمای بسیار پایین، حدود ۲۰ میلی‌کلوین (یعنی کمتر از ۰٫۰۲ درجه بالای صفر مطلق)، کار می‌کنند. در این دما، مواد ابررسانا می‌شوند و می‌توانند جریان الکتریکی را بدون اتلاف انتقال دهند. اما چالش اصلی این است که برای ساخت مدارهای ابررسانا به خازن‌هایی نیاز داریم که عایق آن‌ها در چنین دمایی کم‌اتلاف باشد.

خازن‌ها در مدارهای ابررسانا معمولاً به صورت یک ساندویچ از دو صفحه فلزی و یک لایه عایق بین آن‌ها ساخته می‌شوند. در دماهای بسیار پایین، عایق‌های متداول مانند اکسید سیلیکون یا نیترید سیلیکون دارای نقص‌های زیادی هستند که باعث اتلاف انرژی می‌شوند. به همین دلیل، بیشتر مدارهای ابررسانا از خازن‌های هم‌سطح (coplanar) استفاده می‌کنند که در آن‌ها صفحات فلزی به‌صورت جانبی و نه روی هم قرار می‌گیرند. در این طراحی، زیرلایه سیلیکون خالص به‌عنوان عایق عمل می‌کند و چون نقص‌های کمتری دارد، اتلاف پایین است. اما عیب این روش آن است که ابعاد جانبی هر صفحه باید بزرگ باشد (حدود ۱۰۰ در ۱۰۰ میکرومتر) تا ظرفیت خازنی لازم تأمین شود. این اندازه بزرگ، امکان کوچک‌سازی و افزایش چگالی کیوبیت‌ها را محدود می‌کند.

راه‌حل نوآورانه: مواد دوبعدی

گروه MIT به سرپرستی ویلیام الیور، مدیر مرکز مهندسی کوانتومی، به دنبال عایقی با نقص بسیار کم و سازگار با صفحات ابررسانا رفتند. آنها نیترید بور شش‌گوشه (hBN) را انتخاب کردند. hBN یک عایق دوبعدی است که در تحقیقات مواد دوبعدی به‌دلیل خلوص و بی‌اثری شیمیایی‌اش بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرد. این ماده از لایه‌های اتمی تشکیل شده و می‌توان آن را مانند گرافن اما با خواص عایق به کار برد.

محققان چند لایه تک‌اتمی از hBN را به‌عنوان عایق در خازن کیوبیت ابررسانا به کار گرفتند. آنها در دو طرف hBN از ماده ابررسانای دوبعدی دی‌سلنید نیوبیم (NbSe2) استفاده کردند. ساخت این خازن‌ها بسیار دشوار بود زیرا NbSe2 در مجاورت هوا به سرعت اکسید می‌شود. بنابراین، مونتاژ خازن باید در محفظه‌ای پر از گاز آرگون انجام می‌شد. اما به گفته جوئل وانگ، یکی از نویسندگان مقاله، این مشکل پس از ساخت خازن برطرف می‌شود زیرا حدود ۹۰ درصد میدان الکتریکی درون ساختار ساندویچی محبوس می‌شود و اکسیداسیون سطح بیرونی NbSe2 تأثیر قابل‌توجهی ندارد.

نتایج و اهمیت

این طراحی جدید منجر به کاهش چشمگیر ابعاد خازن و در نتیجه کوچک‌تر شدن کیوبیت‌ها می‌شود. در واقع، محققان توانستند تعداد کیوبیت‌های قابل‌قرارگیری روی یک تراشه را ۱۰۰ برابر افزایش دهند. علاوه بر این، به دلیل محبوس شدن میدان الکتریکی در ساختار ساندویچی، تداخل (crosstalk) بین کیوبیت‌های همسایه نیز به‌طور قابل‌ملاحظه‌ای کاهش یافت. این یعنی کیفیت کیوبیت‌ها نیز بهبود یافته است.

ویلیام الیور تأکید می‌کند که برخلاف مقیاس‌بندی ترانزیستورهای معمولی که فقط تعداد مهم است، برای کیوبیت‌ها تعداد زیاد کافی نیست و باید عملکرد بالا نیز داشته باشند. از دست دادن عملکرد به‌خاطر افزایش تعداد، معامله‌ای نیست که در محاسبات کوانتومی مفید باشد. بنابراین، این پژوهش هم‌زمان به کوچک‌سازی و کیفیت می‌پردازد.

مسیر آینده

یکی از چالش‌های اصلی برای تولید انبوه این خازن‌ها، رشد لایه‌های hBN و ابررساناهای دوبعدی در مقیاس ویفر و نحوه انباشت این لایه‌هاست. با این حال، وانگ معتقد است که این تحقیق نشان داده hBN می‌تواند کاندیدای مناسبی برای عایق در کیوبیت‌های ابررسانا باشد و کارهای انجام‌شده نقشه راهی برای استفاده از سایر مواد دوبعدی هیبریدی در ساخت مدارهای ابررسانا خواهد بود.

جمع‌بندی

این دستاورد گامی مهم در جهت مقیاس‌پذیری رایانه‌های کوانتومی است. با استفاده از مواد دوبعدی مانند hBN، می‌توان کیوبیت‌هایی کوچک‌تر، با چگالی بالاتر و کیفیت بهتر ساخت. این پیشرفت می‌تواند راه را برای ساخت رایانه‌های کوانتومی با هزاران کیوبیت هموار کند و به تحقق وعده‌های این فناوری نوظهور سرعت بخشد.