World

Bahan yang Secara Atom Tipis Secara Signifikan Menyusut Qubit



Komputasi kuantum adalah teknologi yang sangat kompleks, dengan banyak rintangan teknis yang memengaruhi perkembangannya. Dari tantangan ini, dua masalah penting menonjol: miniaturisasi dan kualitas qubit.

IBM telah mengadopsi peta jalan qubit superkonduktor untuk mencapai prosesor 1.121-qubit pada tahun 2023, yang mengarah pada harapan bahwa 1.000 qubit dengan faktor bentuk qubit saat ini adalah layak. Namun, pendekatan saat ini akan membutuhkan chip yang sangat besar (50 milimeter di samping, atau lebih besar) pada skala wafer kecil, atau penggunaan chiplet pada modul multichip. Sementara pendekatan ini akan berhasil, tujuannya adalah untuk mencapai jalan yang lebih baik menuju skalabilitas.

Sekarang para peneliti di MIT telah mampu mengurangi ukuran qubit dan melakukannya dengan cara yang mengurangi interferensi yang terjadi antara qubit tetangga. Para peneliti MIT telah meningkatkan jumlah qubit superkonduktor yang dapat ditambahkan ke perangkat dengan faktor 100.

“Kami menangani miniaturisasi dan kualitas qubit,” kata William Oliver, direktur Center for Quantum Engineering di MIT. “Tidak seperti penskalaan transistor konvensional, di mana hanya jumlah yang benar-benar penting, untuk qubit, jumlah besar tidak cukup, mereka juga harus berkinerja tinggi. Mengorbankan kinerja untuk nomor qubit bukanlah perdagangan yang berguna dalam komputasi kuantum. Mereka harus berjalan beriringan.”

Kunci untuk peningkatan besar dalam kerapatan qubit dan pengurangan interferensi ini adalah penggunaan material dua dimensi, khususnya isolator 2D heksagonal boron nitrida (hBN). Para peneliti MIT menunjukkan bahwa beberapa lapisan tunggal atom hBN dapat ditumpuk untuk membentuk isolator dalam kapasitor qubit superkonduktor.

Sama seperti kapasitor lainnya, kapasitor di sirkuit superkonduktor ini berbentuk sandwich di mana bahan isolator diapit di antara dua pelat logam. Perbedaan besar untuk kapasitor ini adalah bahwa sirkuit superkonduktor hanya dapat beroperasi pada suhu yang sangat rendah—kurang dari 0,02 derajat di atas nol mutlak (-273,15 °C).

Kulkas pengenceran emas digantung secara vertikal
Qubit superkonduktor diukur pada suhu serendah 20 milikelvin dalam lemari es pengenceran.Nathan Fiske/MIT

Dalam lingkungan itu, bahan isolasi yang tersedia untuk pekerjaan itu, seperti silikon oksida PE-CVD atau silikon nitrida, memiliki beberapa cacat yang terlalu merugi untuk aplikasi komputasi kuantum. Untuk mengatasi kekurangan material ini, sebagian besar sirkuit superkonduktor menggunakan apa yang disebut kapasitor coplanar. Dalam kapasitor ini, pelat diposisikan secara lateral satu sama lain, bukan di atas satu sama lain.

Akibatnya, substrat silikon intrinsik di bawah pelat dan pada tingkat yang lebih kecil vakum di atas pelat berfungsi sebagai dielektrik kapasitor. Silikon intrinsik secara kimiawi murni dan karena itu memiliki sedikit cacat, dan ukuran besar mencairkan medan listrik pada antarmuka pelat, yang semuanya mengarah ke kapasitor rugi-rendah. Ukuran lateral setiap pelat dalam desain muka terbuka ini menjadi cukup besar (biasanya 100 kali 100 mikrometer) untuk mencapai kapasitansi yang dibutuhkan.

Dalam upaya untuk menjauh dari konfigurasi lateral yang besar, para peneliti MIT memulai pencarian isolator yang memiliki sedikit cacat dan kompatibel dengan pelat kapasitor superkonduktor.

“Kami memilih untuk mempelajari hBN karena hBN adalah isolator yang paling banyak digunakan dalam penelitian material 2D karena kebersihan dan kelembaman kimianya,” kata penulis colead Joel Wang, seorang ilmuwan peneliti di grup Engineering Quantum Systems dari MIT Research Laboratory for Electronics.

Di kedua sisi hBN, para peneliti MIT menggunakan bahan superkonduktor 2D, niobium diselenide. Salah satu aspek tersulit dari pembuatan kapasitor adalah bekerja dengan niobium diselenide, yang teroksidasi dalam hitungan detik saat terkena udara, menurut Wang. Ini mengharuskan perakitan kapasitor terjadi dalam kotak sarung tangan yang diisi dengan gas argon.

Meskipun hal ini tampaknya akan memperumit peningkatan produksi kapasitor ini, Wang tidak menganggap ini sebagai faktor pembatas.

“Yang menentukan faktor kualitas kapasitor adalah dua antarmuka antara dua bahan,” kata Wang. “Setelah sandwich dibuat, kedua antarmuka “disegel” dan kami tidak melihat adanya penurunan yang nyata dari waktu ke waktu saat terkena atmosfer.”

Kurangnya degradasi ini karena sekitar 90 persen medan listrik terkandung di dalam struktur sandwich, sehingga oksidasi permukaan luar niobium diselenide tidak lagi berperan penting. Ini pada akhirnya membuat jejak kapasitor jauh lebih kecil, dan ini menyebabkan pengurangan pembicaraan silang antara qubit tetangga.

“Tantangan utama untuk meningkatkan fabrikasi adalah pertumbuhan skala wafer superkonduktor hBN dan 2D seperti [niobium diselenide]dan bagaimana seseorang dapat melakukan penumpukan skala wafer dari film-film ini,” tambah Wang.

Wang percaya bahwa penelitian ini telah menunjukkan hBN 2D sebagai kandidat isolator yang baik untuk qubit superkonduktor. Dia mengatakan bahwa dasar yang telah dilakukan tim MIT akan berfungsi sebagai peta jalan untuk menggunakan bahan 2D hibrida lainnya untuk membangun sirkuit superkonduktor.

Artikel ini telah tayang pertama kali di situs spectrum.ieee.org

Related Articles

Tinggalkan Balasan

Alamat email Anda tidak akan dipublikasikan. Ruas yang wajib ditandai *

Back to top button