양자 컴퓨팅은 악마적으로 복잡한 기술로, 개발에 영향을 미치는 많은 기술적 장애물이 있습니다. 이러한 과제 중 두 가지 중요한 문제가 두드러집니다. 소형화와 큐비트 품질입니다.
IBM은 초전도 큐비트 로드맵을 채택했습니다. 2023년까지 1,121큐비트 프로세서 달성오늘날의 큐비트 폼 팩터로 1,000개의 큐비트가 실현 가능하다는 기대로 이어집니다. 그러나 현재의 접근 방식은 소형 웨이퍼 규모의 매우 큰 칩(한 면이 50밀리미터 이상)이나 멀티칩 모듈에서 칩렛을 사용해야 합니다. 이 접근 방식이 효과가 있지만, 목표는 확장성을 향한 더 나은 경로를 얻는 것입니다.
현재 연구원들은 MIT는 큐비트의 크기를 줄이는 데 성공했습니다. 그리고 이웃 큐비트 사이에 발생하는 간섭을 줄이는 방식으로 이를 수행했습니다. MIT 연구원들은 장치에 추가할 수 있는 초전도 큐비트의 수를 100배 늘렸습니다.
“우리는 큐비트 소형화와 품질 모두를 다루고 있습니다.”라고 말했습니다. 윌리엄 올리버에 대한 감독 양자공학 센터 MIT에서. “숫자만 중요한 기존 트랜지스터 스케일링과 달리 큐비트의 경우 큰 숫자만으로는 충분하지 않으며 고성능이어야 합니다. 큐비트 숫자를 위해 성능을 희생하는 것은 양자 컴퓨팅에서 유용한 거래가 아닙니다. 둘은 함께 가야 합니다.”
큐비트 밀도의 이 큰 증가와 간섭 감소의 핵심은 2차원 재료, 특히 2D 절연체 육각형 질화붕소(hBN)의 사용에 달려 있습니다. MIT 연구원들은 hBN의 몇 개의 원자 단층을 쌓아 초전도 큐비트의 커패시터에 절연체를 형성할 수 있음을 입증했습니다.
다른 커패시터와 마찬가지로, 이 초전도 회로의 커패시터는 두 금속판 사이에 절연체 재료가 샌드위치 형태로 끼워져 있습니다. 이러한 커패시터의 가장 큰 차이점은 초전도 회로가 절대 영도(-273.15°C)보다 0.02도 낮은 매우 낮은 온도에서만 작동할 수 있다는 것입니다.
그러한 환경에서, PE-CVD 실리콘 산화물이나 실리콘 질화물과 같이 작업에 사용할 수 있는 절연 재료는 양자 컴퓨팅 애플리케이션에 손실이 너무 큰 결함이 꽤 많습니다. 이러한 재료적 단점을 해결하기 위해 대부분의 초전도 회로는 코플래너 커패시터라고 하는 것을 사용합니다. 이러한 커패시터에서 플레이트는 서로 위에 있는 것이 아니라 서로 측면에 배치됩니다.
결과적으로, 플레이트 아래의 고유 실리콘 기판과 플레이트 위의 진공은 커패시터 유전체 역할을 합니다. 고유 실리콘은 화학적으로 순수하기 때문에 결함이 거의 없으며, 큰 크기는 플레이트 인터페이스의 전기장을 희석하여 저손실 커패시터로 이어집니다. 이 개방형 디자인에서 각 플레이트의 측면 크기는 필요한 정전용량을 달성하기 위해 상당히 커집니다(일반적으로 100 x 100 마이크로미터).
MIT 연구원들은 큰 측면 구성에서 벗어나기 위해 결함이 거의 없고 초전도 커패시터 판과 호환되는 절연체를 찾기 시작했습니다.
“우리는 hBN을 연구하기로 했습니다. hBN은 청결성과 화학적 불활성으로 인해 2D 재료 연구에서 가장 널리 사용되는 절연체이기 때문입니다.”라고 공동 저자가 말했습니다. 조엘 왕MIT 전자 연구실의 엔지니어링 양자 시스템 그룹의 연구 과학자.
MIT 연구원들은 hBN의 양쪽에서 2D 초전도 물질인 니오븀 디셀레나이드를 사용했습니다. 왕에 따르면, 커패시터를 제작하는 데 가장 까다로운 측면 중 하나는 공기에 노출되면 몇 초 만에 산화되는 니오븀 디셀레나이드를 사용하는 것이었습니다. 이를 위해서는 아르곤 가스로 채워진 글러브 박스에서 커패시터를 조립해야 합니다.
이로 인해 이러한 커패시터 생산 규모 확대가 복잡해질 수 있지만, 왕은 이를 제한 요소로 여기지 않습니다.
“커패시터의 품질 계수를 결정하는 것은 두 재료 사이의 두 인터페이스입니다.”라고 왕은 말했습니다. “샌드위치가 만들어지면 두 인터페이스가 “밀봉”되고 대기에 노출되어도 시간이 지남에 따라 눈에 띄는 저하가 보이지 않습니다.”
이러한 저하의 부족은 전기장의 약 90%가 샌드위치 구조 내에 포함되어 있기 때문에 니오븀 디셀레나이드의 외부 표면 산화가 더 이상 중요한 역할을 하지 않기 때문입니다. 이는 궁극적으로 커패시터 풋프린트를 훨씬 더 작게 만들고 이웃 큐비트 간의 크로스토크 감소를 설명합니다.
“제조 규모 확대를 위한 주요 과제는 hBN 및 2D 초전도체와 같은 웨이퍼 규모 성장이 될 것입니다. [niobium diselenide]그리고 이러한 필름을 웨이퍼 규모로 적층하는 방법도 설명했습니다.”라고 Wang은 덧붙였습니다.
왕은 이 연구가 2D hBN이 초전도 큐비트에 적합한 절연체 후보임을 보여주었다고 믿는다. 그는 MIT 팀이 수행한 기초 작업이 다른 하이브리드 2D 재료를 사용하여 초전도 회로를 구축하기 위한 로드맵 역할을 할 것이라고 말한다.