量子計算是一項極其複雜的技術，現階段的一些挑戰正嚴重阻礙著它的發展，尤其是量子比特的小型化和質量問題。
IBM計劃在2023年實現具有1121個超導量子比特的處理器。以目前的技術手段，要達到這個目標將需要非常大的晶片（邊長至少為50毫米）或者在多晶片模塊上使用小晶片來實現更好的可擴展性。
最近，麻省理工學院的研究人員表示，已經能在減少相鄰量子比特之間發生干擾的同時減小量子比特的大小，這將可以添加到設備上的超導量子比特的數量增加到了原來的100倍。
麻省理工學院量子工程中心主任William Oliver說：「我們正在解決量子比特的小型化和質量問題。對於傳統的電晶體縮放來說數量是最重要的，但對於量子比特來說僅有數量是不夠的，它們還必須是高性能的。在量子計算中，單純追求數量而忽視性能並不可取，二者必須齊頭並進。」
想要大幅增加量子比特密度並減少干擾的關鍵在於二維材料的使用，特別是二維絕緣體六方氮化硼（hBN）。麻省理工學院的研究人員證明，一些hBN原子單層可以堆疊起來，形成超導量子比特電容器中的絕緣體。
和其他電容器一樣，這些超導電路中的電容器像三明治一樣把其中的絕緣體材料夾在兩個金屬板之間。它們的最大區別在於：超導電路只能在極低的溫度下工作，這個工作環境比絕對零度（-273.15°C）只高了不到0.02°C。
在這種環境中，可用於工作的絕緣材料（如PE-CVD氧化矽或氮化矽）具有相當多的缺陷，不利於量子計算的應用。為了解決這些材料的短板，大多數超導電路使用所謂的共面電容器。在這些電容器中，極板彼此橫向放置，而不是重疊放置。但在這樣的開放式設計中，每個板的橫向尺寸都相當大（通常為100 x 100微米），以實現所需的電容並降低電容器的損耗。
為了擺脫大型橫向配置，麻省理工學院的研究人員開始尋找一種缺陷很少且與超導電容器板兼容的絕緣體。而hBN作為2D材料研究中使用最廣泛的絕緣體，具有清潔度和化學惰性，成為了超導量子比特的良好絕緣材料。
在hBN的兩側，研究人員使用了2D超導材料二硒化鈮。因為它暴露在空氣中會在幾秒內氧化，所以需要在充滿氬氣的手套箱中進行電容器的組裝。這可能會使擴大這些電容器的生產變得更複雜，但實際上大約有90%的電場包含在夾層結構中，因此二硒化鈮外表面的氧化不會產生影響。採用2D超導材料可以大大減小電容器的占位面積，同時減少相鄰量子比特之間的串擾。
這項研究為使用其他混合2D材料構建超導電路打下了基礎。麻省理工學院電子研究實驗室工程量子系統小組的研究科學家Joel Wang表示：「擴大製造規模的主要挑戰將是hBN和2D超導體（如二硒化鈮）的晶圓級增長，以及如何對這些薄膜進行晶圓級堆疊。」
編譯：穎茜
編輯：慕一