Para que las computadoras cuánticas superen a sus contrapartes clásicas en velocidad y capacidad, sus qubits, que son circuitos superconductores que pueden existir en una combinación infinita de estados binarios, deben estar en la misma longitud de onda. Lograr esto, sin embargo, ha sido a costa del tamaño. Mientras que los transistores utilizados en las computadoras clásicas se han reducido a escalas nanométricas, los qubits superconductores en estos días todavía se miden en milímetros:un milímetro es un millón de nanómetros.

Combine qubits en chips de circuitos cada vez más grandes y obtendrá, en términos relativos, una gran huella física, lo que significa que las computadoras cuánticas ocupan mucho espacio físico. Todavía no son dispositivos que podamos llevar en la mochila o en la muñeca.

Para reducir los qubits y mantener su rendimiento, el campo necesita una nueva forma de construir los condensadores que almacenan la energía que "alimenta" los qubits. En colaboración con Raytheon BBN Technologies, el laboratorio del profesor James Hone de Wang Fong-Jen en Columbia Engineering demostró recientemente un condensador qubit superconductor construido con materiales 2D que es una fracción de los tamaños anteriores.

Anteriormente, para construir chips qubit, los ingenieros tenían que usar condensadores planos, que colocaban las placas cargadas necesarias una al lado de la otra. Apilar esas placas ahorraría espacio, pero los metales utilizados en los condensadores paralelos convencionales interfieren con el almacenamiento de información de qubit. En el trabajo actual, publicado el 18 de noviembre en Nano Letters , el doctorado de Hone. los estudiantes Abhinandan Antony y Anjaly Rajendra colocaron una capa aislante de nitruro de boro entre dos placas cargadas de dieselenuro de niobio superconductor. Estas capas tienen un solo átomo de espesor y se mantienen unidas por las fuerzas de van der Waals, la interacción débil entre electrones. Luego, el equipo combinó sus condensadores con circuitos de aluminio para crear un chip que contenía dos qubits con un área de 109 micrómetros cuadrados y solo 35 nanómetros de grosor, que es 1000 veces más pequeño que los chips producidos con enfoques convencionales.

Cuando enfriaron su chip qubit justo por encima del cero absoluto, los qubits encontraron la misma longitud de onda. El equipo también observó características clave que mostraban que los dos qubits se entrelazaban y actuaban como una sola unidad, un fenómeno conocido como coherencia cuántica; eso significaría que el estado cuántico del qubit podría manipularse y leerse mediante pulsos eléctricos, dijo Hone. El tiempo de coherencia fue corto:un poco más de 1 microsegundo, en comparación con los 10 microsegundos de un condensador coplanar construido convencionalmente, pero este es solo un primer paso en la exploración del uso de materiales 2D en esta área, dijo.

Otro trabajo publicado en arXiv en agosto por investigadores del MIT también aprovechó el diseleniuro de niobio y el nitruro de boro para construir condensadores de placas paralelas para qubits. Los dispositivos estudiados por el equipo del MIT mostraron tiempos de coherencia aún más largos, hasta 25 microsegundos, lo que indica que todavía hay espacio para mejorar aún más el rendimiento.
A partir de aquí, Hone y su equipo continuarán refinando sus técnicas de fabricación y probarán otros tipos de materiales 2D para aumentar los tiempos de coherencia, que reflejan cuánto tiempo almacena información el qubit. Los nuevos diseños de dispositivos deberían poder reducir aún más las cosas, dijo Hone, combinando los elementos en una sola pila de van der Waals o implementando materiales 2D para otras partes del circuito.

"Ahora sabemos que los materiales 2D pueden ser la clave para hacer posibles las computadoras cuánticas", dijo Hone. "Todavía es muy pronto, pero hallazgos como estos impulsarán a los investigadores de todo el mundo a considerar aplicaciones novedosas de materiales 2D. Esperamos ver mucho más trabajo en esta dirección en el futuro". + Explora más

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