原子レベルの薄い材料が量子ビットを大幅に縮小

原子レベルの薄い材料が量子ビットを大幅に縮小 MITの研究者たちが、量子回路のコンデンサに二次元材料を使用し、プロセッサのスケーリングを目指す Dexter Johnson 2022年2月7日 3分読み 超伝導量子プロセッサとそのマイクロ波パッケージング。 Sampson Wilcox/MIT量子工学研究所 量子コンピューティングは非常に複雑な技術であり、その開発には多くの技術的ハードルが存在します。これらの課題の中でも、特にミニチュア化と量子ビットの品質という2つの重要な問題が際立っています。 IBMは2023年までに1,121量子ビットのプロセッサを実現するという超伝導量子ビットのロードマップを採用しており、現在の量子ビットのフォームファクタで1,000量子ビットが可能になると期待されています。しかし、現在の方式では、小型ウェハのスケールで非常に大きなチップ（一辺50ミリメートル以上）が必要になるか、マルチチップモジュール上でチップレットを使用する必要があります。このアプローチは機能しますが、スケーラビリティに向けたより良い道筋を目指しています。 現在、MITの研究者たちは、量子ビットのサイズを縮小すると同時に、隣接する量子ビット間の干渉を低減する方法を見出しました。MITの研究者たちは、デバイスに追加できる超伝導量子ビットの数を100倍に増やしました。 MIT量子工学センターのディレクターであるWilliam Oliver氏は、「私たちは量子ビットのミニチュア化と品質の両方に取り組んでいます」と述べています。「従来のトランジスタのスケーリングでは、数だけが重要でしたが、量子ビットの場合、多くの数だけでは不十分で、高性能である必要があります。量子コンピューティングにおいて、量子ビットの数と引き換えに性能を犠牲にすることは有用なトレードオフではありません。それらは両立しなければなりません。」 量子ビット密度の大幅な増加と干渉の低減の鍵は、二次元材料、特に二次元絶縁体である六方晶窒化ホウ素（hBN）の使用にあります。MITの研究者たちは、数原子層のhBNを積層して、超伝導量子ビットのコンデンサの絶縁体として使用できることを実証しました。 他のコンデンサと同様に、これらの超伝導回路のコンデンサは、絶縁材料が2つの金属プレートの間に挟まれたサンドイッチ構造をとります。これらのコンデンサの大きな違いは、超伝導回路が絶対零度（-273.15℃）から0.02度未満という極低温でしか動作しないことです。 超伝導量子ビットは、希釈冷凍機で20ミリケルビンという低温で測定されます。 Nathan Fiske/MIT その環境では、PE-CVD酸化シリコンや窒化シリコンなど、この用途で利用可能な絶縁材料には、量子コンピューティング用途には損失が大きすぎる欠陥が多数存在します。これらの材料の欠点を回避するために、ほとんどの超伝導回路では、コプレーナコンデンサと呼ばれるものが使用されます。これらのコンデンサでは、プレートは互いの上に配置されるのではなく、横方向に配置されます。 その結果、プレートの下にある固有のシリコン基板と、より程度は小さいですがプレート上の真空がコンデンサの誘電体として機能します。固有シリコンは化学的に純粋であるため欠陥が少なく、大きなサイズがプレート界面の電場を希釈するため、低損失コンデンサにつながります。このオープンフェイス設計では、必要な静電容量を達成するために、各プレートの横方向のサイズはかなり大きくなります（通常100 x 100マイクロメートル）。 MITの研究者たちは、この大きな横方向の構成から脱却するために、欠陥が非常に少なく、超伝導コンデンサプレートと互換性のある絶縁体を探し始めました。 「私たちはhBNを研究することを選択しました。なぜなら、それはそのクリーンさと化学的不活性さから、二次元材料研究で最も広く使用されている絶縁体だからです」と、MIT量子工学研究所のエンジニアリング量子システムグループの研究科学者であり、共著者であるJoel Wang氏は述べています。hBNの両側で、MITの研究者たちは二次元超伝導材料である二セレン化ニオブを使用しました。 コンデンサの製造における最も難しい側面の1つは、空気への暴露で数秒で酸化する二セレン化ニオブの取り扱いでした、とWang氏は述べています。これにより、コンデンサの組み立てはアルゴンガスで満たされたグローブボックス内で行う必要があります。 これはこれらのコンデンサの生産のスケーリングを複雑にするように思われるかもしれませんが、Wang氏はこれを制限要因とは考えていません。 「コンデンサの品質係数を決定するのは、2つの材料間の2つの界面です」とWang氏は述べています。「サンドイッチが作られると、2つの界面は「密閉」され、大気への暴露時に時間の経過とともに目立った劣化は見られません。」 この劣化がないのは、電場の約90パーセントがサンドイッチ構造内に閉じ込められているため、二セレン化ニオブの外表面の酸化はもはや重要な役割を果たさないからです。これにより、コンデンサのフットプリントが大幅に小さくなり、隣接する量子ビット間のクロストークの減少につながります。 「スケーリングアップの製造における主な課題は、hBNと二セレン化ニオブのような二次元超伝導体のウェハスケール成長、そしてこれらのフィルムのウェハスケール積層をどのように行うかということになるでしょう」とWang氏は付け加えました。 Wang氏は、この研究が二次元hBNを超伝導量子ビットの良い絶縁体候補であることを示したと考えています。彼は、MITチームが行った基礎研究が、他のハイブリッド二次元材料を使用して超伝導回路を構築するためのロードマップとして役立つと述べています。 あなたのサイトの記事から より良い量子ビットを構築する - IEEE Spectrum › Intelが量子コンピューティングの未来に計画していること：ホット... › Googleの量子コンピュータが指数関数的にエラーを抑制... › 量子優位性にはいくつの量子ビットが必要か？ - IEEE... › 量子コンピューティング 二次元材料 IBM 量子ビット 六方晶窒化ホウ素 超伝導量子ビット MIT Dexter Johnson Dexter Johnsonは、ナノテクノロジーに焦点を当てたIEEE Spectrumの寄稿編集者です。 AI ゲスト記事 家電 AIは「ジニー係数」を必要とする理由 4時間前 8分読み ロボット工学 AI スポンサー記事 汎用ロボットのための基盤スタックの構築 2026年7月13日 12分読み 生物医学 ニュース コルチゾールがウェアラブルの次のフロンティアになる可能性 2026年7月19日 5分読み コンピューティング ニュース トランプ政権が量子コンピューティングにさらに注力 AI ニュース 量子コンピュータを動かすために必要な古典的な進歩 コンピューティング ニュース 「クローンなし」の回避策により量子クラウドが可能になる可能性