Affinché i computer quantistici superino le loro controparti classiche in velocità e capacità, i loro qubit, che sono circuiti superconduttori che possono esistere in una combinazione infinita di stati binari, devono essere sulla stessa lunghezza d'onda. Raggiungere questo obiettivo, tuttavia, è venuto a scapito delle dimensioni. Mentre i transistor utilizzati nei computer classici sono stati ridotti a scale nanometriche, i qubit superconduttori in questi giorni sono ancora misurati in millimetri: un millimetro è un milione di nanometri. Combina i qubit insieme in chip di circuito sempre più grandi e finisci con, relativamente parlando, una grande impronta fisica, il che significa che i computer quantistici occupano molto spazio fisico. Questi non sono ancora dispositivi che possiamo portare nei nostri zaini o indossare al polso.
Per ridurre i qubit mantenendo le loro prestazioni, il campo ha bisogno di un nuovo modo di costruire i condensatori che immagazzinano l'energia che "alimenta" i qubit. In collaborazione con Raytheon BBN Technologies, il laboratorio del professor James Hone di Wang Fong-Jen alla Columbia Engineering ha recentemente dimostrato un condensatore qubit superconduttore costruito con materiali 2D, rendendolo una frazione delle dimensioni dei condensatori precedenti.
Per costruire chip qubit in precedenza, gli ingegneri hanno dovuto utilizzare condensatori planari, che impostano le piastre cariche necessarie fianco a fianco. Impilare quelle piastre farebbe risparmiare spazio, ma i metalli utilizzati nei condensatori paralleli convenzionali interferiscono con la memorizzazione delle informazioni qubit. Nel lavoro attuale, pubblicato il 18 novembre su NanoLetters, i dottorandi di Hone Abhinandan Antony e Anjaly Rajendra hanno inserito uno strato isolante di nitruro di boro tra due piastre cariche di diselenuro di niobio superconduttore. Questi strati sono ciascuno di un singolo atomo di spessore e tenuti insieme dalle forze di van der Waals, la debole interazione tra gli elettroni. Il team ha quindi combinato i loro condensatori con circuiti in alluminio per creare un chip contenente due qubit con un'area di 109 micrometri quadrati e uno spessore di soli 35 nanometri, che è 1.000 volte più piccolo dei chip prodotti con approcci convenzionali.
Quando hanno raffreddato il loro chip qubit fino a poco sopra lo zero assoluto, i qubit hanno trovato la stessa lunghezza d'onda. Il team ha anche osservato caratteristiche chiave che hanno mostrato che i due qubit si stavano impigliando e agendo come una singola unità, un fenomeno noto come coerenza quantistica; ciò significherebbe che lo stato quantistico del qubit potrebbe essere manipolato e letto tramite impulsi elettrici, ha detto Hone. Il tempo di coerenza era breve, poco più di un microsecondo, rispetto a circa 10 microsecondi per un condensatore complanare costruito convenzionalmente, ma questo è solo un primo passo nell'esplorare l'uso di materiali 2D in quest'area.
Un lavoro separato pubblicato su arXiv lo scorso agosto dai ricercatori del MIT ha anche sfruttato il diselenuro di niobio e il nitruro di boro per costruire condensatori a piastre parallele per qubit. I dispositivi studiati dal team del MIT hanno mostrato tempi di coerenza ancora più lunghi, fino a 25 microsecondi, indicando che c'è ancora spazio per migliorare ulteriormente le prestazioni. Da qui, Hone e il suo team continueranno a perfezionare le loro tecniche di fabbricazione e testeranno altri tipi di materiali 2D per aumentare i tempi di coerenza, che riflettono per quanto tempo il qubit memorizza le informazioni. I nuovi progetti di dispositivi dovrebbero essere in grado di ridurre ulteriormente le cose, ha affermato Hone, combinando gli elementi in un unico stack di Van der Waals o distribuendo materiali 2D per altre parti del circuito.
"Ora sappiamo che i materiali 2D possono contenere la chiave per rendere possibili i computer quantistici", ha dichiarato Hone. "È ancora molto presto, ma risultati come questi spingeranno i ricercatori di tutto il mondo a prendere in considerazione nuove applicazioni di materiali 2D. Speriamo di vedere molto più lavoro in questa direzione in futuro".