哥伦比亚大学研究利用二维材料缩小量子位

为了使量子计算机在速度和容量上超越传统计算机，它们的量子位（qubit）需要在同一波长上。然而，实现这一目标需要以尺寸为代价。普通计算机中使用的晶体管已经缩小到纳米（nanometer）等级，但超导量子位仍然以毫米（millimeter）为标准。

将量子位整合到体积越来越大的电路芯片中，意味着量子计算机将占用大量的物理空间，无法成为可以放在背包中携带或配戴在手腕上的装置。

为了缩小量子位的体积，同时保持性能，需要一种新的方法来建造电容器（capacitor），以储存为量子位“供电”的能量。美国哥伦比亚大学教授James Hone的研究团队与Raytheon BBN科技公司合作，最近展示了利用二维材料成功做出缩小体积的超导量子位电容器。

过去，构建量子位芯片工程师们需要使用平面电容器，将必要的带电板并排放置。堆叠带电板可以节省空间，但传统的平行板电容器使用的金属会干扰量子位的信息存储。哥伦比亚大学的研究（2021年11月18日发表于《Nano Letter》），在两个超导二硒化铌（niobium diselenide）带电板之间夹了氮化硼（boron nitride）的绝缘层。各层只有一个原子的厚度，通过凡得瓦力（van der Waals force）固定在一起。然后，研究团队将电容器与铝电路结合，创造出一个包含两个量子位的芯片，面积只有109平方微米，厚度仅为35纳米，比用传统方法生产的芯片小1000倍。

当将量子位芯片降温到略高于绝对零度时，发现量子位具有着相同的波长。研究团队还观察到量子相干性（quantum coherence）的特征，意味着量子位的量子状态可以通过电脉冲进行操纵和读出，虽然相干时间很短（略高于1微秒，与传统方式制成的共面电容约为10微秒相比），但这只是探索二维材料在该领域使用的第一步。

麻省理工学院（MIT）于2021年8月发表在arXiv上的另一项研究，也利用二硒化铌和氮化硼来为量子位建造平行板电容器，甚至实现更长的相干时间（高达25微秒）显示哥伦比亚大学的研究仍有进一步提高性能的空间。

往后，研究团队将继续改良制造技术，并测试其他类型的二维材料以延长相干时间，进一步能影响量子位储存信息的时间。哥伦比亚大学教授James Hone表示，通过将各元素整合到单一的凡得瓦堆叠，或将电路的其他部分配置二维材料，使新的装置设计更能够进一步缩小尺寸。获取更多前沿科技 研究进展 访问：https://byteclicks.com

该团队的超导量子位芯片的光学显微照片，比使用传统制造技术制造的其他芯片小 1,000 倍。