Les matériaux atomiquement minces réduisent considérablement les qubits

L’informatique quantique est une technologie diablement complexe, avec de nombreux obstacles techniques impactant son développement. Parmi ces défis, deux problèmes critiques se distinguent : la miniaturisation et la qualité des qubits.

IBM a adopté la feuille de route des qubits supraconducteurs pour atteindre un processeur de 1 121 qubits d’ici 2023, ce qui laisse supposer que 1 000 qubits avec le facteur de forme qubit actuel sont réalisables. Cependant, les approches actuelles nécessiteront de très grandes puces (50 millimètres de côté ou plus) à l’échelle de petites tranches, ou l’utilisation de puces sur des modules multipuces. Bien que cette approche fonctionne, l’objectif est d’atteindre une meilleure voie vers l’évolutivité.

Désormais, les chercheurs du MIT ont pu à la fois réduire la taille des qubits et le faire d’une manière qui réduit les interférences qui se produisent entre les qubits voisins. Les chercheurs du MIT ont multiplié par 100 le nombre de qubits supraconducteurs pouvant être ajoutés à un appareil.

“Nous abordons à la fois la miniaturisation et la qualité des qubits”, a déclaré William Oliver, directeur du Center for Quantum Engineering du MIT. “Contrairement à la mise à l’échelle classique des transistors, où seul le nombre compte vraiment, pour les qubits, les grands nombres ne suffisent pas, ils doivent également être performants. Sacrifier les performances pour le nombre de qubits n’est pas un métier utile en informatique quantique. Ils doivent aller de pair. »

La clé de cette forte augmentation de la densité de qubits et de la réduction des interférences réside dans l’utilisation de matériaux bidimensionnels, en particulier l’isolant 2D en nitrure de bore hexagonal (hBN). Les chercheurs du MIT ont démontré que quelques monocouches atomiques de hBN peuvent être empilées pour former l’isolant dans les condensateurs d’un qubit supraconducteur.

Tout comme les autres condensateurs, les condensateurs de ces circuits supraconducteurs prennent la forme d’un sandwich dans lequel un matériau isolant est pris en sandwich entre deux plaques métalliques. La grande différence pour ces condensateurs est que les circuits supraconducteurs ne peuvent fonctionner qu’à des températures extrêmement basses – moins de 0,02 degré au-dessus du zéro absolu (-273,15 °C).

Les qubits supraconducteurs sont mesurés à des températures aussi basses que 20 millikelvins dans un réfrigérateur à dilution.Nathan Fiske / MIT

Dans cet environnement, les matériaux isolants disponibles pour le travail, tels que l’oxyde de silicium PE-CVD ou le nitrure de silicium, présentent un certain nombre de défauts qui entraînent trop de pertes pour les applications d’informatique quantique. Pour contourner ces défauts matériels, la plupart des circuits supraconducteurs utilisent ce qu’on appelle des condensateurs coplanaires. Dans ces condensateurs, les plaques sont positionnées latéralement les unes par rapport aux autres, plutôt que les unes au-dessus des autres.

En conséquence, le substrat de silicium intrinsèque sous les plaques et, dans une moindre mesure, le vide au-dessus des plaques servent de diélectrique de condensateur. Le silicium intrinsèque est chimiquement pur et présente donc peu de défauts, et la grande taille dilue le champ électrique aux interfaces des plaques, ce qui conduit à un condensateur à faible perte. La taille latérale de chaque plaque dans cette conception à face ouverte finit par être assez grande (généralement 100 sur 100 micromètres) afin d’atteindre la capacité requise.

Afin de s’éloigner de la grande configuration latérale, les chercheurs du MIT se sont lancés dans la recherche d’un isolant présentant très peu de défauts et compatible avec les plaques de condensateurs supraconducteurs.

“Nous avons choisi d’étudier le hBN car il s’agit de l’isolant le plus largement utilisé dans la recherche sur les matériaux 2D en raison de sa propreté et de son inertie chimique”, a déclaré Joel Wang, co-auteur principal, chercheur au sein du groupe Engineering Quantum Systems du MIT Research Laboratory for Electronics.

De part et d’autre du hBN, les chercheurs du MIT ont utilisé le matériau supraconducteur 2D, le diséléniure de niobium. L’un des aspects les plus délicats de la fabrication des condensateurs était de travailler avec le diséléniure de niobium, qui s’oxyde en quelques secondes lorsqu’il est exposé à l’air, selon Wang. Ceci nécessite que l’assemblage du condensateur se fasse dans une boîte à gants remplie de gaz argon.

Bien que cela compliquerait apparemment l’augmentation de la production de ces condensateurs, Wang ne considère pas cela comme un facteur limitant.

“Ce qui détermine le facteur de qualité du condensateur, ce sont les deux interfaces entre les deux matériaux”, a déclaré Wang. “Une fois le sandwich réalisé, les deux interfaces sont “scellées” et nous ne constatons aucune dégradation notable dans le temps lorsqu’elles sont exposées à l’atmosphère.”

Cette absence de dégradation est due au fait qu’environ 90 % du champ électrique est contenu dans la structure en sandwich, de sorte que l’oxydation de la surface externe du diséléniure de niobium ne joue plus un rôle significatif. Cela rend finalement l’empreinte du condensateur beaucoup plus petite et explique la réduction de la diaphonie entre les qubits voisins.

“Le principal défi pour l’intensification de la fabrication sera la croissance à l’échelle de la plaquette de hBN et de supraconducteurs 2D comme [niobium diselenide]et comment on peut faire un empilement à l’échelle d’une plaquette de ces films », a ajouté Wang.

Wang pense que cette recherche a montré que le hBN 2D est un bon candidat isolant pour les qubits supraconducteurs. Il dit que le travail de base effectué par l’équipe du MIT servira de feuille de route pour l’utilisation d’autres matériaux 2D hybrides pour construire des circuits supraconducteurs.