La computación cuántica es una tecnología endiabladamente compleja, con muchos obstáculos técnicos que afectan su desarrollo. De estos desafíos se destacan dos cuestiones críticas: la miniaturización y la calidad de los qubits. IBM ha adoptado la hoja de ruta de los qubits superconductores para alcanzar un procesador de 1.121 qubits para 2023, lo que lleva a la expectativa de que 1.000 qubits con el factor de forma de qubit actual sean factibles. Sin embargo, los enfoques actuales requerirán chips muy grandes (50 milímetros de lado o más) a escala de pequeñas obleas, o el uso de chiplets en módulos multichip. Si bien este enfoque funcionará, el objetivo es lograr un mejor camino hacia la escalabilidad. Ahora los investigadores del MIT han podido reducir el tamaño de los qubits y lo han hecho de una manera que reduce la interferencia que se produce entre qubits vecinos. Los investigadores del MIT han aumentado en un factor de 100 el número de qubits superconductores que se pueden añadir a un dispositivo. «Estamos abordando tanto la miniaturización como la calidad de los qubits», afirmó William Oliver, director del Centro de Ingeniería Cuántica del MIT. “A diferencia del escalado convencional de transistores, donde lo único que realmente importa es el número, para los qubits no basta con un número grande, sino que también deben ser de alto rendimiento. Sacrificar el rendimiento por el número de qubits no es un oficio útil en la computación cuántica. Deben ir de la mano”. La clave de este gran aumento de la densidad de qubits y de la reducción de las interferencias se reduce al uso de materiales bidimensionales, en particular el aislante 2D de nitruro de boro hexagonal (hBN). Los investigadores del MIT demostraron que se pueden apilar algunas monocapas atómicas de hBN para formar el aislante en los condensadores de un qubit superconductor. Al igual que otros condensadores, los condensadores de estos circuitos superconductores toman la forma de un sándwich en el que se intercala un material aislante. entre dos placas de metal. La gran diferencia de estos condensadores es que los circuitos superconductores solo pueden funcionar a temperaturas extremadamente bajas: menos de 0,02 grados por encima del cero absoluto (-273,15 °C). Los qubits superconductores se miden a temperaturas tan bajas como 20 milikelvin en un refrigerador de dilución.Nathan Fiske/MITEn ese entorno, los materiales aislantes disponibles para el trabajo, como el óxido de silicio PE-CVD o el nitruro de silicio, tienen bastantes defectos que generan demasiadas pérdidas para las aplicaciones de computación cuántica. Para solucionar estas deficiencias materiales, la mayoría de los circuitos superconductores utilizan lo que se denomina condensadores coplanares. En estos condensadores, las placas están colocadas lateralmente entre sí, en lugar de una encima de la otra. Como resultado, el sustrato de silicio intrínseco debajo de las placas y, en menor grado, el vacío sobre las placas sirven como dieléctrico del capacitor. El silicio intrínseco es químicamente puro y, por tanto, tiene pocos defectos, y su gran tamaño diluye el campo eléctrico en las interfaces de las placas, todo lo cual conduce a un condensador de bajas pérdidas. El tamaño lateral de cada placa en este diseño de cara abierta termina siendo bastante grande (normalmente 100 por 100 micrómetros) para lograr la capacitancia requerida. En un esfuerzo por alejarse de la configuración lateral grande, los investigadores del MIT se embarcaron en un busque un aislante que tenga muy pocos defectos y sea compatible con placas de condensadores superconductores. «Elegimos estudiar hBN porque es el aislante más utilizado en la investigación de materiales 2D debido a su limpieza e inercia química», dijo el coautor Joel Wang, Científico investigador del grupo de Ingeniería de Sistemas Cuánticos del Laboratorio de Investigación de Electrónica del MIT. A ambos lados del hBN, los investigadores del MIT utilizaron el material superconductor 2D, diseleniuro de niobio. Uno de los aspectos más complicados de la fabricación de los condensadores fue trabajar con diseleniuro de niobio, que se oxida en segundos cuando se expone al aire, según Wang. Esto requiere que el montaje del condensador se realice en una caja con guantes llena de gas argón. Si bien esto aparentemente complicaría el aumento de la producción de estos condensadores, Wang no lo considera un factor limitante. “¿Qué determina el factor de calidad?” del condensador son las dos interfaces entre los dos materiales”, dijo Wang. «Una vez hecho el sándwich, las dos interfaces están «selladas» y no vemos ninguna degradación notable con el tiempo cuando se exponen a la atmósfera». Esta falta de degradación se debe a que alrededor del 90 por ciento del campo eléctrico está contenido dentro del sándwich. estructura, por lo que la oxidación de la superficie exterior del diseleniuro de niobio ya no juega un papel importante. En última instancia, esto hace que la huella del capacitor sea mucho más pequeña y explica la reducción de la diafonía entre los qubits vecinos. “El principal desafío para ampliar la fabricación será el crecimiento a escala de oblea de los superconductores hBN y 2D como [niobium diselenide]y cómo se pueden apilar estas películas a escala de oblea”, añadió Wang. Wang cree que esta investigación ha demostrado que el hBN 2D es un buen candidato a aislante para qubits superconductores. Dice que el trabajo preliminar que ha realizado el equipo del MIT servirá como hoja de ruta para utilizar otros materiales híbridos 2D para construir circuitos superconductores.

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