研究人员使用 2D 材料构建了超导量子位

为了让量子计算机在速度和容量上超越经典计算机，它们的量子位(可以以无限组合的二元状态存在的超导电路)需要在相同的波长上。然而，实现这一目标是以规模为代价的。虽然经典计算机中使用的晶体管已经缩小到纳米级，但如今的超导量子位仍然以毫米为单位测量——一毫米是一百万纳米。

将量子位组合成越来越大的电路芯片，相对而言，最终会占用很大的物理空间，这意味着量子计算机会占用大量物理空间。这些还不是我们可以随身携带或戴在手腕上的设备。

为了在保持其性能的同时缩小量子位，该领域需要一种新的方法来构建电容器，以存储为量子位“供电”的能量。最近，与雷神 BBN 技术公司合作，Wang Fong-Jen 教授James Hone 的哥伦比亚工程实验室展示了一种由 2D 材料制成的超导量子位电容器，其尺寸仅为以前的一小部分。

以前为了制造量子位芯片，工程师不得不使用平面电容器，将必要的带电板并排放置。堆叠这些板会节省空间，但传统并联电容器中使用的金属会干扰量子位信息存储。在 11 月 18 日发表在Nano Letters上的当前工作中，Hone 的博士生 Abhinandan Antony 和 Anjaly Rajendra 将氮化硼绝缘层夹在两个带电的超导二柴油化铌板之间。这些层每个都只有一个原子厚，并通过范德华力(电子之间的弱相互作用)保持在一起。然后，该团队将他们的电容器与铝电路相结合，创建了一个包含两个量子位的芯片，其面积为 109 平方微米，厚度仅为 35 纳米——比传统方法生产的芯片小 1,000 倍。

当他们将量子位芯片冷却到刚好高于绝对零时，量子位发现了相同的波长。该团队还观察到关键特征，表明两个量子位正在纠缠在一起并作为一个单元起作用，这种现象被称为量子相干性;Hone 说，这意味着可以通过电脉冲操纵和读出量子位的量子状态。他说，相干时间很短——略高于 1 微秒，而传统构建的共面电容器约为 10 微秒，但这只是探索在该领域使用 2D 材料的第一步。