Two-Dimensional Materials toward CMOS-Compatible Scalable Quantum Hardware

De zoektocht naar het bouwen van een quantumcomputer gaat minder over het uitvinden van een nieuw soort machine en meer over het oplossen van een probleem van extreme kwetsbaarheid. In het hart van deze machines bevinden zich qubits, de minuscule eenheden informatie die in meerdere toestanden tegelijk kunnen bestaan, in tegen tegenstelling tot de eenvoudige aan-uit schakelaars van een standaardcomputer. Om te kunnen werken, moeten deze qubits in een staat van perfecte orde worden gehouden, geïsoleerd van de kleinste trilling, warmte of elektrische ruis. In de echte wereld zijn de materialen die gebruikt worden om ze te bouwen echter zelden perfect. Ze bevatten microscopische imperfecties, ruwe randen en chemische resten van het productieproces die werken als statische ruis op een radiolijn, waardoor de delicate informatie wordt verstoord voordat deze gebruikt kan worden. Decennialang hebben wetenschappers geprobeerd deze oppervlakken gladder te maken en deze materialen te zuiveren, maar het proces van het bouwen van een complexat chip introduceert vaak juist nieuwe gebreken die de quantumtoestand vernietigen.

Een nieuw perspectief van onderzoekers aan de Eindhoven University of Technology suggereert dat de oplossing kan liggen in een ander soort materiaal: twee-dimensionale kristallen. Dit zijn stoffen die slechts één laag atomen dik zijn, zoals een vel papier dat één atoom diep is. Omdat ze zo dun zijn en hun randen van nature schoon zijn, bieden ze een manier om quantumapparaten te bouren zonder de rommelige, ruwe interfaces die traditionele materialen teisteren. De onderzoekers stellen een praktische vraag: kunnen de industriële methoden die al worden ontwikkeld om deze ultradunne vellen in de volgende generatie computerchips te plaatsen, ook worden gebruikt om de quantumprocessors van de toekomst te bouwen? Het antwoord is nog geen simpel ja, maar het pad vooruit wordt duidelijker. Het team heeft in kaart gebracht waar deze materialen momenteel werken, waar ze falen, en precies welke experimenten nodig zijn om laboratoriumcuriositeiten te transformeren tot massaproduceerbare technologie.

De reis van een enkel, handmatig samengesteld apparaat naar een door een fabriek gemaakte quantumprocessor is gevuld met hindernissen. In een laboratorium kan een wetenschapper zorgvuldig een klein schilfertje van een twee-dimensionaal materiaal afpellen van een groter kristal en het met een ander schilfertje stapelen onder een microscoop om een enkele qubit te creëren. Dit werkt voor één of twee apparaten, maar dit kan niet worden opgeschaald. Om een computer met duizenden qubits te bouwen, moet het proces reproduceerbaar, uniform en compatibel zijn met de enorme fabrieken die momenteel siliciumchips maken. De onderzoekers wijzen erop dat hoewel we indrukwekkende resultaten hebben gezien met individuele twee-dimensionale qubits, we ze nog niet samenwerkend hebben gezien in grote, betrouwbare arrays. De kloof tussen een succesvol experiment en een produceerbaar product is groot, en deze is gevuld met problemen zoals chemische residuen die achterblijven door het productieproces, luchtbellen die tussen lagen gevangen zitten, en variaties in het materiaal die van de ene plek op een wafer naar de andere veranderen.

Om te begrijpen waar we staan, hebben de auteurs het huidige onderzoek onderverdeeld in vier duidelijke categorieën. Ten eerste zijn er de volledig gedemonstreerde qubits, waarbij wetenschappers er succesvol in zijn geslaagd de quantumtoestand voor te bereiden, te controleren en het resultaat af te lezen. Ten tweede zijn er gedemonstreerde componenten, wat onderdelen van een circuit zijn die naar behoren werken maar nog niet zijn gecombineerd tot een volledige qubit. Ten derde zijn er fysische verschijnselen, waarbij de onderliggende wetenschap bewezen is maar nog geen apparaat is gebouwd om dit te benutten. Ten slotte zijn er voorgestelde concepten, ideeën op papier die nog niet zijn getest. Deze indeling laat zien dat hoewel we enkele werkende qubits hebben gemaakt van deze materialen, veel van de meest opwindende ideeën zich nog in de "voorgestelde" of "component"-fase bevinden. Zo hebben wetenschappers een supergeleidend circuit gebouwd met een condensator gemaakt van een twee-dimensionaal materiaal die een quantumtoestand een aanzienlijke tijd kan vasthouden, maar ze hebben nog niet aangetoond dat dit consistent over een hele fabriekswater kan worden gedaan.

Een van de meest veelbelovende gebieden betreft het gebruik van deze atomaire dunne vellen om betere interfaces voor supergeleidende circuits te creëren. In traditionele supergeleidende qubits is de barrière tussen twee metaallagen vaak een ruwe, ongeordende oxide die ervoor zorgt dat de quantuminformatie vervalt. Door deze te vervangen door een perfect vlak twee-dimensionaal kristal, hebben onderzoekers juncties gecreëerd die veel schoner zijn. Ze hebben aangetoond dat deze nieuwe juncties elektriciteit kunnen transporteren zonder weerstand en kunnen worden bijgestuurd door elektrische gates, wat een niveau van controle biedt dat voorheen moeilijk te bereiken was. Het artikel benadrukt echter dat hoewel deze individuele apparaten werken, het statistische bewijs ontbreekt. We weten nog niet of elke junctie op een groot vel op dezelfde manier zal presteren, of dat het proces van het maken ervan verborgen gebreken introduceert die pas zichtbaar worden wanneer duizenden van hen verbonden zijn.

Een andere belangrijke route is het gebruik van twee-dimensionale materialen om enkelvoudige elektronen te vangen en te controleren, die fungeren als spin-qubits. In deze apparaten houdt de spin van het elektron, een eigenschap die lijkt op een klein magneetje, de informatie vast. De onderzoekers benadren dat materialen zoals bilaire grafiet elektronen zo effectief kunnen opsluiten dat hun spin een zeer lange tijd kan aanhouden. Specifiek vertoonde een single-hole device in bilaire grafiet een spin-valley relaxatietijd van 38 seconden bij extreem lage temperaturen. Dit is een opmerkelijke prestatie, wat suggereert dat het materiaal zelf zeer stil is en het elektron niet verstoort. Toch blijft de uitdaging om dit enkele succes te nemen en te repliceren over een grote chip. De huidige experimenten vertrouwen op kleine, zorgvuldig geselecteerde stukken materiaal, en het is onduidelijk of dezelfde prestaties kunnen worden behaald wanneer het materiaal op grote schaal wordt gegroeid en door machines wordt verwerkt in plaats van met de hand.

Er is ook een unieke kans met twee-dimensionale materialen om qubits te creëren die door licht kunnen worden gecontroleerd. Bepaalde defecten, of ontbrekende atomen, in een kristal genaamd hexagonaal boornitride kunnen fungeren als een quantum bit die met lasers kan worden uitgelezen en beschreven, zelfs bij kamertemperatuur. Dit is een zeldzame en waardevolle eigenschap, aangezien de meeste quantumsystemen nabij het absolute nulpunt moeten worden gehouden om te functionen. De onderzoekers hebben specifieke defecten geïdentificeerd die op deze manier gecontroleerd kunnen worden, maar het werk staat nog in de beginfase. Het doel is om een manier te vinden om deze defecten precies daar te creëren waar ze nodig zijn, in grote aantallen, en om te garanderen dat ze allemaal op dezelfde manier gedrag vertonen. Momenteel is het vermogen om deze defecten met precisie te plaatsen en een hoog rendement van bruikbare defecten te behalen, de belangrijkste flessenhals.

De weg vooruit vereist een verschuiving van het kijken naar individuele, perfecte apparaten naar het kijken naar de statistiek van vele apparaten. Het artikel betoogt dat de volgende cruciale stap is om te meten hoe deze materialen presteren over een volledige fabriekswater. Dit betekent niet alleen controleren of één qubit werkt, maar of honderd van hen werken, en of ze allemaal op dezelfde manier werken. Het houdt in dat er nieuwe manieren moeten worden ontwikkeld om de kwaliteit van het materiaal en het productieproces te meten zonder het apparaat te vernietigen. De onderzoekers stellen een cyclus van testen voor waarbij gegevens van de fabrieksvloer direct gekoppeld worden aan de prestaties van de quantumdevice. Als een specifieke stap in het productieproces een daling in prestaties veroorzaakt, moet die stap worden geïdentificeerd en gecorrigeerd. Dit soort rigoureuze, datagestuurde aanpak is wat een wetenschappelijke curiositeit onderscheidt van een technologie die op schaal gebouwd kan worden.

De auteurs kijken ook vooruit naar drie specifieke concepten die alleen met deze twee-dimensionale materialen gerealiseerd kunnen worden. Het eerste betreft het invoegen van zeldzame aardionen in de openingen tussen de lagen van het kristal om nieuwe soorten qubits te creëren. Het tweede idee maakt gebruik van de unieke draaiing van de lagen om een speciaal soort elektrische junctie te creëren die als een qubit kan fungeren zonder externe magnetische velden nodig te hebben. Het derde concept gebruikt het patroon dat ontstaat door het draaien van twee lagen materiaal om een multi-level quantum systeem te creëren, wat potentieel meer informatie kan opslaan dan een standaard qubit. Hoewel deze ideeën theoretisch solide zijn en ondersteund worden door enige experimentele bewijslast, blijven ze onbewezen. Het artikel is duidelijk dat dit geen afgewerkte producten zijn, maar eerder richtingen voor toekomstig onderzoek die met dezelfde strengheid getest moeten worden als de huidige technologieën.

Uiteindelijk ligt de waarde van deze materialen niet in het vervangen van de bestaande siliciumgebaseerde technologie, maar in het toevoegen van specifieke functies die moeilijk of onmogelijk te bereiken zijn met traditionele methoden. Ze bieden een manier om de ruis te verminderen die quantuminformatie doodt, een manier om controle-elektronica direct naast de qubits te integreren, en een manier om interfaces te creëren die schoner en beter controleerbaar zijn. De onderzoekers concluderen dat het potentieel echt is, maar dat het voorwaardelijk is. De voordelen zullen alleen worden gerealiseerd als de productieprocessen kunnen worden verfijnd om consistente, hoogwaardige apparaten te produceren. Tot die tijd moet de focus blijven liggen op het bewijzen dat deze materialen betrouwbaar kunnen worden gemaakt, niet alleen in een enkel experiment, maar in de uitgestrekte, complexe omgeving van een quantumprocessor. Het verhaal van twee-dimensionale quantumhardware wordt nog geschreven, en het volgende hoofdstuk hangt af van het vermogen om een paar succesvolle laboratoriumdemonstraties te transformeren tot een betrouwbare, schaalbare industrie.