مزیت پردازش اطلاعات کوانتومی، توانایی آن در پیشی گرفتن از قدرتمندترین ابررایانه‌های کلاسیک جهان است. این فناوری، پتانسیل حل مسائل بسیار پیچیده‌ای نظیر شبیه‌سازی سیستم‌های کوانتومی، الگوریتم‌های فاکتورگیری، جستجو و بهینه‌سازی را دارد؛ محاسباتی که فراتر از توان عملیاتی کامپیوترهای امروزی قرار دارند. این برتری از یک تفاوت بنیادین در نحوه رمزگذاری و پردازش اطلاعات در سیستم‌های کوانتومی نسبت به نمونه‌های کلاسیک سرچشمه می‌گیرد. پردازش اطلاعات در رایانه‌های کلاسیک بر پایه‌ی واحدهایی به نام بیت استوار است که تنها می‌توانند در یکی از دو حالت قطعی ۰ یا ۱ قرار بگیرند. در این معماری، یک رجیستر کلاسیکبیتی، اطلاعات را به کمکضریب باینری رمزگذاری می‌کند. در مقابل، کیوبیت به عنوان واحد پایه پردازش کوانتومی، می‌تواند در ترکیب خطی از حالت‌های پایهوقرار بگیرد. با ارتقای سیستم به یک رجیستر متشکل ازکیوبیت، سیستم به طور همزمان در یک برهم‌نهی از تمامترکیب ممکن از این حالت‌ها وجود خواهد داشت. توصیف کامل چنین سیستمی بهضریب پیوسته و مختلط نیاز دارد که ظرفیت ذخیره‌سازی اطلاعات را به شکل نمایی افزایش می‌دهد[1]. برای فرمول‌بندی این رفتار پیچیده، مکانیک کوانتومی از مفهومی به نام فضای هیلبرت بهره می‌گیرد؛ یک فضای برداری مختلط که حالت هر سیستم فیزیکی منزوی به عنوان یک بردار واحد در آن توصیف می‌شود. ابعاد این فضا با افزایش تعداد کیوبیت‌ها چنان سریع رشد می‌کند که برای توصیف تنها ۵۰۰ کیوبیت، به فضایی با ابعاد بزرگ‌تر از تعداد تخمینی اتم‌های کیهان نیاز است. اگرچه تجسم فضای هیلبرت سیستم‌های چندکیوبیتی عملاً ناممکن است، اما برای درک بصری یک کیوبیت منفرد، از یک مدل هندسی به نام کره بلاخ استفاده می‌شود. در این کره واحد، قطب‌های شمال و جنوب نشان‌دهنده حالت‌های کلاسیک ۰ و ۱ هستند، در حالی که یک حالت برهم‌نهی کوانتومی می‌تواند بر روی هر نقطه‌ای از سطح کره قرار گیرد و طیفی پیوسته از حالت‌ها را نمایندگی کند[2].
شکل ۱: نمایش حالت یک تک‌کیوبیت بر روی کره بلاخ. ناحیه سایه‌دار نمایانگر انحراف بردار از حالت ایده‌آل (خطا) در اثر عواملی مانند ناهمدوسی یا نقص در عملکرد گیت‌های کوانتومی است[1].
درهم‌تنیدگی که اهمیتی معادل کشف آهن در عصر برنزِ جهان کلاسیک دارد، کیوبیت‌ها را چنان به یکدیگر پیوند می‌دهد که حالت یکی، بدون دیگری قابل توصیف نیست[2]. الگوریتم‌های کوانتومی با تکیه بر این درهم‌تنیدگی، از پدیده تداخل، مشابه تداخل امواج فیزیکی بهره می‌برند. با طراحی دقیق، الگوریتم به گونه‌ای عمل می‌کند که مسیرهای منتهی به پاسخ صحیح از طریق تداخل سازنده تقویت شده و خروجی‌های نامطلوب بر اثر تداخل ویرانگر یکدیگر را خنثی کنند. با این وجود، این ظرفیت عظیم پردازشی، هزینه‌ای به نام شکنندگی سیستم به همراه دارد. حالت‌های کوانتومی در حین محاسبات به شدت مستعد واپاشی و واهمدوسی هستند که به انباشت سریع خطاها در سیستم‌های مقیاس‌بزرگ منجر می‌شود[1].در سیستم‌های کلاسیک، ما اطلاعات را با گنجاندن داده‌های مازاد1 در برابر نویز محافظت کرده و با مشاهده مداوم خروجی، رویه مناسب برای کدگشایی و تصحیح خطا را اعمال می‌کنیم. اما از آنجا که در مکانیک کوانتومی، هرگونه اندازه‌گیری و مشاهده، حالت برهم‌نهی را از بین برده و سیستم را به مقادیر قطعی فرومی‌ریزد، تصحیح خطای کلاسیک در اینجا پاسخگو نیست و بازیابی اطلاعات را غیرممکن می‌سازد[1,2]. به همین دلیل، توسعه سیستم‌هایی که قابلیت اجرای الگوریتم‌های پیچیده و تصحیح خطای کوانتومی را داشته باشند، صرفاً یک چالش فیزیکی نیست؛ بلکه نیازمند پیشرفت‌های عمده در علم مواد و تکنیک‌های نوین ساخت است تا بتوانیم کیوبیت‌ها را در برابر نویزهای محیطی محافظت کنیم. تا به امروز، بیشتر تلاش‌های پژوهشی در توسعه سخت‌افزارها، به جای رویارویی مستقیم با محدودیت‌های فیزیکی مواد، بر طراحی معماری‌های پیچیده و طرح‌های کنترلی متمرکز بوده‌اند تا منابع نویز، اتلاف انرژی و واهمدوسی را دور بزنند. اما این استراتژی محافظه‌کارانه برای آینده و تحقق پردازنده‌های مقیاس‌بزرگی که قادر به اجرای مؤثر الگوریتم‌های تصحیح خطای کوانتومی باشند، کافی نیست. باید نویزها را به جای پنهان کردن یا دور زدن، به صورت ریشه‌ای و در سطح اتمی و ساختاری از بین ببریم که این امر مستلزم پیشرفت در علم و مهندسی مواد است. در میان پلتفرم‌های موجود، کیوبیت‌های ابررسانا به عنوان یکی از بالغ‌ترین و پیشروترین گزینه‌های سخت‌افزاری برای پردازش اطلاعات کوانتومی شناخته می‌شوند.با این وجود، مسیر مقیاس‌پذیری این فناوری در حال حاضر توسط چالش‌های ظریف و پنهان در لایه‌ها و واسط‌های مادی تشکیل‌دهنده‌شان مسدود شده است. در ادامه، به کالبدشکافی دقیق این محدودیت‌های فیزیکی پرداخته و موانع پنهان در مسیر توسعه لایه‌های مواد را بررسی خواهیم کرد [1].
برای درک نحوه عملکرد مدارهای ابررسانا، بهترین نقطه شروع، بررسی یک نوسانگر الکتریکی کلاسیک یعنی مداراست. در این مدار، مبادله پیوسته انرژی میان میدان الکتریکی خازنو میدان مغناطیسی سلف، نوسانی پایدار ایجاد می‌کند. اما اگر چنین مداری از فلزات معمولی ساخته شود، مقاومت الکتریکی ناشی از برخورد الکترون‌ها به سرعت انرژی سیستم را به شکل گرما هدر داده و هرگونه حالت کوانتومی را نابود می‌کند. کلید عبور از این مانع، بهره‌گیری از پدیده ابررسانایی در دماهای بسیار پایین است؛ شرایطی که در آن مقاومت الکتریکی از بین می‌رود و الکترون‌ها با کمک ارتعاشات شبکه بلوری، ذراتی جفت‌شده به نام جفت‌های کوپر2 را تشکیل می‌دهند. این جفت‌های باردار، برخلاف الکترون‌های منفرد، مانند یک سیال کوانتومی یکپارچه عمل کرده و جریان الکتریکی را بدون اتلاف انرژی هدایت می‌کنند[3]. وقتی این مدارابررسانا را از محیط اطراف ایزوله کرده و تا نزدیکی صفر مطلق سرد کنیم، سیستم رفتاری شبیه به یک نوسانگر هماهنگ کوانتومیاز خود نشان می‌دهد. در این مدار کوانتیده، انرژی سیستم دیگر پیوسته نیست، بلکه در دماهای به اندازه کافی پایینو اتلاف کم ( پهن شدن تراز انرژی بسیار کمتر از ) به ترازهای گسسته‌ای با مقادیرمحدود می‌شود که در آنفرکانس نوسان مدار است. فاصله انرژی میان تمامی ترازهای متوالی این چاه پتانسیل سهموی، دقیقاً یکسان و برابر بااست. این فواصل برابر، مانعی اساسی برای پردازش اطلاعات محسوب می‌شود، زیرا برای ساخت یک کیوبیت، ما به یک سیستم دوترازی ایزوله میان حالت پایهو اولین حالت برانگیختهنیاز داریم[4,2].اگر فواصل انرژی یکسان باشد، هر پالس مایکروویوی که برای جابه‌جایی سیستم بینواعمال شود، ناخواسته ترازهای بالاتری مثلرا نیز تحریک کرده و کنترل دقیق سیستم را غیرممکن می‌سازد[4]. برای باز کردن این گره، باید تقارن ترازهای انرژی را بر هم زد و به پتانسیل مدار ناهماهنگی3 بخشید؛ هدفی که با جایگزین کردن سلف معمولی با قطعه‌ای با ساختار نانومتری به نام اتصال جوزفسون4 محقق می‌شود. این اتصال از دو لایه فلز ابررسانا تشکیل شده است که توسط یک سد عایق بسیار نازکاز هم جدا شده‌اند تا جفت‌های کوپر بتوانند به صورت کوانتومی از میان آن تونل بزنند[4,1]. این پدیده تونل‌زنی باعث می‌شود رابطه میان جریان و اختلاف فاز ابررسانایی به شکل سینوسی درآمده و اتصال جوزفسون نقش یک سلف غیرخطی را ایفا کند. این خاصیت غیرخطی، باعث می‌شود ترازهای انرژی در لایه‌های بالاتر به هم فشرده شوند. در نتیجه، انرژی لازم برای گذار اول () با انرژی گذار دوم () متمایز می‌شود[4]. به لطف این تفاوت انرژی، می‌توانیم با اعمال پالس‌های دقیق مایکروویو، تنها با ترازهایوکار کنیم و مدار ابررسانا را به یک کیوبیت کاربردی و قابل کنترل تبدیل نماییم[4,1].
شکل ۲: (a) طیف انرژی یک نوسانگر هماهنگ کوانتومی. (b) طیف انرژی کیوبیت ترنسمون که نشان‌دهنده ایجاد سطوح انرژی غیرهم‌فاصله در اثر افزودن اتصال غیرخطی جوزفسون است[4].
برای ساخت اتصال جوزفسون در کیوبیت‌های ابررسانا، به دقتی در مقیاس نانومتر نیاز است. از آنجا که ابعاد جانبی این اتصال برای جلوگیری از اتلاف انرژی باید در حدود ۱۰۰ نانومتر باشد، استفاده از لیتوگرافی نوری به دلیل محدودیت‌های فیزیکی پراش نور در این مقیاس پاسخگو نیست[1]. به همین دلیل، از لیتوگرافی پرتو الکترونی استفاده می‌شود تا یک الگوی سه‌بعدی و معلق معروف به شابلون سایه‌ای درون یک لایه پلیمر مقاوم روی سطح بستر شکل گیرد[5,1]. پس از ایجاد این ساختار پلیمری، قطعه وارد محفظه خلأ بالا شده و فرآیند تبخیر فلز آغاز میگردد. در مرحله نخست ساخت، فلز آلومینیوم با یک زاویه مایل نسبت به سطح بستر تبخیر می‌شود تا ذرات فلز از فضای زیرین پل پلیمری عبور کرده و لایه اول الکترود را روی بستر شکل دهند[5]. نقطه ذوب نسبتاً پایین آلومینیوم باعث می‌شود تا شابلون پلیمری در حین لایه‌نشانی ذوب نشده و ساختار خود را حفظ کند. پس از نشست لایه اول، مرحله تشکیل سد تونلی با وارد کردن مقدار کنترل‌شده‌ای از گاز اکسیژن به درون محفظه خلأ انجام می‌شود[5,1]. آلومینیوم با اکسیژن واکنش می‌دهد، اما این واکنش از نظر ترمودینامیکی خودمحدودکننده5 است[1]. به محض اینکه یک لایه اکسید آلومینیوم به ضخامت چند نانومتر روی سطح فلز شکل می‌گیرد، این لایه جدید مانند یک سد عمل کرده و از نفوذ اکسیژن به لایه‌های زیرین جلوگیری می‌کند[5,1]. توقف طبیعی این واکنش در فرآیند تولید، امکان کنترل یکنواخت ضخامت نانومتری عایق را بدون نیاز به فرآیندهای پیچیده فراهم می‌سازد. مزیت دیگر این لایه اکسید، تراکم بسیار پایین حفره‌های سوزنی6 در ساختار آن است. حضور این حفره‌های میکروسکوپی در لایه عایق باعث می‌شود الکترون‌ها به جای تونل‌زنی، مستقیماً از این سوراخ‌ها جریان یابند و یک اتصال کوتاه بین دو لایه آلومینیوم ایجاد کنند. این نشت جریان، رفتار غیرخطی اتصال را از بین برده و عملکرد مدار را مختل می‌کند[1]. پس از تشکیل سد عایق، گاز اکسیژن تخلیه شده و لایه دوم آلومینیوم تبخیر میگردد[5,1]. در این گام، لایه دوم از زاویه‌ای متفاوت نسبت به لایه اول پاشیده می‌شود[5]. این تغییر زاویه باعث می‌شود که فلز جدید، به واسطه سایه‌ای که پل پلیمری ایجاد کرده است، دقیقاً روی سد اکسیدی لایه اول بنشیند و یک ناحیه همپوشانی ایجاد کند که اتصال نهایی با ساختار را تشکیل می‌دهد[5,1]. یکی از ویژگی‌های مهم این روش آن است که تمامی مراحل تبخیر و اکسیداسیون به صورت درجا7 در یک چرخه خلأ انجام می‌شود و از نفوذ آلودگی‌های محیطی به سطح مشترک اتصال جلوگیری می‌کند[5,1]. در گام نهایی، پلیمر باقی‌مانده با استفاده از حلال‌های شیمیایی در فرآیندی به نام لیفت‌آف8 شسته می‌شود؛ از آنجا که فلز آلومینیوم با این حلال‌ها سازگاری دارد، ساختار اتصال جوزفسون بدون آسیب‌دیدگی روی تراشه باقی می‌ماند[1].
شکل ۳: (A) شماتیکی از یک کیوبیت ابررسانای ترنسمون و مکانیزم‌های اصلی نویز و اتلاف انرژی. (B) نمای مقطع عرضی اتصال جوزفسون و سامانه‌های دوترازی در لایه اکسید آمورف. (C) تونل‌زنی شبه‌ذرات از میان اتصال.(D) اتلاف دی‌الکتریک در فصل‌مشترک‌های قطعه. (E) اسپین‌های سطحی عامل نویز شار مغناطیسی[1].
لایه اکسید آلومینیوم () که در فرآیند ساخت تشکیل می‌شود، ساختار آمورف دارد. در این ساختار نامنظم، برخی از اتم‌ها یا پیوندها فاقد جایگاه ثابت بوده و می‌توانند میان دو موقعیت فیزیکی نزدیک به هم جابه‌جا شوند؛ پدیده‌ای که به عنوان سامانه‌های دوترازی (9) شناخته می‌شود. هر یک از این سامانه‌ها دارای یک گشتاور دوقطبی الکتریکی است که با میدان الکتریکی مایکروویو در مدار جفت می‌شود. اگر فرکانس نوسان یکی از این نقص‌ها با فرکانس فوتون کیوبیت برابر شود، تشدید رخ داده و نقص ساختاری با جذب فوتون، انرژی آن را از طریق کوپل شدن با محیط فونونی دفع می‌کند. علاوه بر نقص‌های ساختاری در لایه عایق، حضور شبه‌ذرات10 در ابررسانا نیز منبع دیگری برای اتلاف انرژی به شمار می‌رود[1]. جریان بدون مقاومت تنها زمانی محقق می‌شود که الکترون‌های هدایتی در قالب جفت‌های کوپر پیوند خورده باشند[3]. در دمای کارکرد پردازنده‌های کوانتومی (نزدیک به صفر مطلق)، انتظار می‌رود که تعداد الکترون‌های منفرد به طور چشمگیری کوچک باشد[3,1]. با این حال، همواره تعداد کمی از این شبه‌ذرات غیرتعادلی در مدار حضور دارند که ناشی از برانگیختگی به سطوح انرژی بالای شکاف ابررسانایی هستند[1] که حداقل انرژی لازم برای شکستن پیوند یک جفت کوپر و تبدیل آن به دو الکترون منفرد است[3]. اگرچه علت دقیق وجود این شبه‌ذرات ناشناخته است، اما مکانیزم‌های بالقوه شامل فوتون‌های سرگردان مرئی یا فروسرخ، فونون‌های با انرژی بالا و پرتوهای کیهانی هستند. تونل‌زنی و عبور این شبه‌ذرات از اتصال جوزفسون، یک کانال اتلاف ایجاد کرده و موجب واهمدوسی اطلاعات می‌شود. بدون شناسایی علت دقیق این برانگیختگی‌ها، راهکارهای موادی برای کاهش اثر شبه‌ذرات، شامل مهندسی شکاف ابررسانایی در ساختار اتصال یا تعبیه تله‌های سطحی است. این تله‌ها نواحی خاصی از فلزات با شکاف ابررسانایی کمتر هستند که در مجاورت کیوبیت قرار می‌گیرند تا شبه‌ذرات سرگردان را پیش از رسیدن به اتصال، به سمت خود کشیده و به دام بیندازند. در کنار اتصال جوزفسون، قطعاتی نظیر خازن‌ها و سلف‌ها با ابعاد بزرگ‌تر (تا چندصد میکرومتر) از فلزاتی مانند آلومینیوم ()، نایوبیوم () یا نیترید تیتانیوم() ساخته می‌شوند. به دلیل مساحت بالای این اجزا، بخش قابل‌توجهی از میدان الکتریکی کیوبیت به درون زیرلایه نفوذ می‌کند. این نفوذ، اتلاف دی‌الکتریک را به همراه دارد؛ ناخالصی‌ها، یون‌های باردار یا دوقطبی‌های موجود در بستر، انرژی مایکروویو ذخیره‌شده در کیوبیت را جذب کرده و به شکل ارتعاشات حرارتی هدر می‌دهند. هرچه این اتلاف بیشتر باشد، کیوبیت سریع‌تر انرژی خود را از دست داده و از حالت برانگیختهبه حالت پایهسقوط می‌کند. برای مهار این نشتی انرژی و افزایش طول عمر، پردازنده‌های کوانتومی روی بسترهای بسیار خالصی مانند سیلیکون با مقاومت الکتریکی بالا یا تک‌بلورهای یاقوت کبود () توسعه می‌یابند. ساختار کریستالی موادی مانند یاقوت کبود، به دلیل تککریستال بودن، عاری از عیوب و نواقص موجود در سطوح و فصل مشترک‌ها بوده، اتلاف دی‌الکتریک بسیار ناچیزی دارد و اجازه می‌دهد میدان الکتریکی کیوبیت بدون تبدیل شدن به حرارت حفظ شود[1]. با این وجود، محیط میکروسکوپی اطراف تراشه همواره میزبان بارهای الکتریکی سرگردانی است که دائماً جابه‌جا می‌شوند. در نسل‌های اولیه کیوبیت‌ها، پرش حتی یک الکترون مزاحم باعث تغییر شدید فرکانس و نابودی فوری اطلاعات می‌شد؛ پدیده‌ای مخرب که به نویز بار[11] شهرت دارد. برای خنثی‌سازی این تهدید، معماری ترنسمون[12] توسعه یافت[4]. در این طراحی، یک خازن با ابعاد ماکروسکوپی به صورت موازی با اتصال نانومتری جوزفسون قرار می‌گیرد. این خازن بزرگ مانند یک ضربه‌گیر عمل کرده و انرژی الکترواستاتیک شارژ () را به شدت کاهش می‌دهد[4,1]. این انرژی، میزان انرژی لازم برای اضافه شدن یک تک‌الکترون یا جفت کوپر به ظرفیت خازنی مدار است[2]. با افزایش ابعاد خازن، مقدار انرژی الکترواستاتیک شارژ () به قدری افت می‌کند که در برابر انرژی جوزفسون ()، همان انرژی نهفته‌ی مدار که از تونل‌زنی همدوس جفت‌های کوپر از میان سد عایق نشأت می‌گیرد، بسیار ناچیز می‌شود[4,1]. غلبهبرباعث تخت شدن ترازهای انرژی شده و کیوبیت را نسبت به نویز بارهای سرگردان مصون می‌سازد[4]. با این حال، اگرچه ترنسمون‌های با فرکانس ثابت، زمان همدوسی قابل‌توجهی در حدود ۱۰۰ میکروثانیه ارائه می‌دهند، اما سرعت اجرای گیت‌های منطقی در آن‌ها نسبتاً کند و در حدود چندصد نانوثانیه است؛ البته این اعداد قانون عمومی نیستند و در نسل‌های جدید، زمان اجرای گیت از مرتبه 20 نانوثانیه و زمان همدوسی بالاتر از 100 میکروثانیه گزارش شده است. برای افزایش سرعت گیت‌ها به ده‌ها نانوثانیه، طراحان به ترانسمون‌های تنظیم‌پذیر روی می‌آورند؛ جایی که اتصال جوزفسون با یک حلقه ابررسانا ([13]) جایگزین می‌شود تا فرکانس کیوبیت به کمک میدان مغناطیسی تنظیم شود. اما این انعطاف‌پذیری، کیوبیت را در برابر عامل مخرب جدیدی به نام نویز شار[14] بی‌دفاع می‌کند[4]. اسپین‌های تصادفی الکترون‌های سطحی یا گازهای جذب‌شده روی فلز، میدان‌های مغناطیسی مزاحمی تولید می‌کنند که فاز کیوبیت را بر هم زده و زمان همدوسی را به حدود ۲۰ میکروثانیه کاهش می‌دهند[4,1]. در نهایت، این معماری‌ها به یک شمشیر دولبه برای علم مواد تبدیل می‌شوند. بزرگ کردن خازن ترانسمون برای دفع نویز بار، مساحت فیزیکی کیوبیت را به شدت گسترش داده و میدان الکتریکی مایکروویو را در سطح وسیعی از بستر پخش می‌کند. این گستردگی فضایی، کیوبیت را طعمه نوع پیچیده‌تری از اتلاف انرژی ناشی از نقص‌های سطحی مواد می‌کند که مسیر توسعه سخت‌افزار را با چالش‌های تازه‌ای روبه‌رو می‌سازد. علی‌رغم مطالعه گسترده روی هندسه مدارها، منشأ میکروسکوپی و دقیق اتلاف انرژی در کیوبیت‌های ابررسانا همچنان ناشناخته باقی مانده است. بررسی‌ها نشان می‌دهند که کیوبیت‌های پیشرفته امروزی، زمان طول عمربسیار کوتاه‌تری نسبت به محدودیتی که توسط اتلاف دی‌الکتریک بالک ماده اعمال می‌شود، دارند. به بیان ساده‌تر، اگر تنها حجم اصلی و درونی زیرلایه (مانند ضخامت سیلیکون یا یاقوت کبود) عامل هدررفت انرژی بود، کیوبیت‌ها باید زمان بیشتری حالت کوانتومی خود را حفظ می‌کردند.این تفاوت رفتاری نشان می‌دهد که مشکل اصلی در حجم ماده نیست، بلکه احتمالاً سطوح خارجی و مرزهای مشترک (مانند فصل‌مشترک فلز با بستر یا فلز با خلأ) عوامل محدودکننده اصلی هستند. اگرچه این مرزها ضخامت بسیار ناچیزی دارند و تنها بخش کوچکی از میدان الکترومغناطیسی کیوبیت از آن‌ها عبور می‌کند، اما در صورتی که میزبان ناخالصی‌ها و نقص‌هایی با اتلاف بالا باشند، می‌توانند به منبع غالب اتلاف در کل سیستم تبدیل شوند. پس غیر از عیوب ناشی از سطوح و مرزدانهها در مواد پلیکریستال که با استفاده از مواد تککریستال مرتفع میگردد، باید عیوب ناشی از فصل مشترک بین سطوح اکسید، فلز و موارد مشابه را نیز در نظر گرفت.در دنیای الکترونیک کلاسیک، قانون نانوشته‌ای وجود دارد: «برای قدرتمندتر شدن، باید کوچکتر شد.» اما در مهندسی کیوبیت‌های ابررسانا، ما با یک پارادوکس فیزیکی روبه‌رو هستیم. برای در امان ماندن از نویزهای سطحی و دستیابی به زمان‌های همدوسی طولانی، کیوبیت‌های ابررسانا معمولاً با ابعاد جانبی نسبتاً بزرگ (۱۰۰ میکرومتر یا بیشتر) ساخته می‌شوند تا نسبت مشارکت سطوح اتلافی کاهش یابد. این دادوستد بین اندازه فیزیکی و زمان همدوسی، یک دیوار بزرگ در برابر مقیاس‌پذیری سیستم‌ها ایجاد می‌کند؛ چرا که برای ساخت پردازنده‌های نسل آینده با هزاران کیوبیت متراکم، باید ابتدا بر مشکل نویزهای سطحی غلبه کرد. اما حتی اگر از سد اندازه عبور کنیم، چالش‌های دیگری در مقیاس اتمی خودنمایی می‌کنند. در مکانیک کوانتوم، احتمال تونل‌زنی ذرات از یک سد فیزیکی، وابستگی نمایی به ضخامت آن سد دارد[1]. در پردازنده‌های ابررسانا، این جریان تونل‌زنی مشخص‌کننده جریان بحرانی اتصال جوزفسون است؛ جریانی که نشان‌دهنده حداکثر جریان الکتریکی مجاز است که می‌تواند بدون ایجاد مقاومت و تلفات از مدار عبور کند[3]. مقدار این جریان بحرانی، مستقیماً اندوکتانس اتصال را تعیین می‌کند و از آنجا که کیوبیت در ذات خود یک مدار نوسانگر است، همین اندوکتانس در ترکیب با خازن، فرکانس دقیق نوسان کیوبیت را مشخص می‌کند[4,1]. به دلیل این حساسیت نمایی، حتی تغییراتی در مقیاس آنگستروم در ضخامت، می‌تواند جریان عبوری را دستخوش تغییر کرده و منجر به چند درصد جابه‌جایی در فرکانس کیوبیت شود. این تفاوت فرکانس از یک کیوبیت به کیوبیت دیگر روی یک تراشه، بازدهی ساخت قطعات را به شدت کاهش داده و فرآیند کالیبراسیون گیت‌های کوانتومی را در سیستم‌های مقیاس‌بزرگ بسیار پیچیده می‌کند. از سوی دیگر، با وجود تلاش‌ها برای ایزوله‌سازی مدارهای کوانتومی، مواد سازنده این قطعات، تغییرناپذیر نیستند و اتصال جوزفسون می‌تواند به مرور زمان دچار پیری1شود. این پدیده به دلیل انتشار اکسیژن به درون ساختار یا تغییر ترکیبات شیمیایی آن پس از چرخه‌های حرارتی و سرد و گرم شدن مکرر یخچال رخ می‌دهد. علاوه بر این تغییرات بلندمدت، عملکرد روزمره کامپیوترهای کوانتومی با چالش دیگری نیز روبه‌روست؛ مشاهده شده که زمان‌های همدوسی ثابت نیستند و می‌توانند در طول چند ساعت یا چند روز دچار تغییرات ناگهانی شوند. این تغییرات حتی زمانی که دستگاه در اعماق یخچال و در دماهای برودتی نگهداری می‌شود نیز رخ می‌دهند. اگرچه منشأ دقیق این ناپایداری‌ها هنوز ناشناخته است، اما پژوهش‌های اخیر نشان می‌دهند که برهم‌کنش کیوبیت با سامانه‌های دوترازی، یا حتی برخورد پرتوهای کیهانی سرگردان به تراشه، می‌توانند از عوامل اصلی این نوسانات باشند. توسعه مواد جدید برای کیوبیت‌های ابررسانا همواره بر بهبود کیفیت فصل‌مشترک‌ها و یافتن سدهای اتصال پایدارتر متمرکز بوده است. در دهه گذشته، تلاش‌های متعددی برای استفاده از مواد رشدیافته به روش اپیتکسی[16] صورت گرفت تا با ایجاد لایه‌هایی با ساختار بلوری کاملاً منظم و منطبق بر زیرلایه، کیفیت مرزهای اتصال و بستر ارتقا یابد. این تلاش‌ها در آن مقطع نتوانستند زمان همدوسی دستگاه‌ها را فراتر از استانداردهای تثبیت‌شده ارتقا دهند، زیرا به احتمال زیاد مکانیزم غالب اتلاف انرژی در آن معماری‌ها، ارتباطی به فصل‌مشترک مورد مطالعه نداشت. با این حال، امروزه به دلیل پیشرفت در طراحی و تکنیک‌های مشخصه‌یابی، درک بسیار دقیق‌تری از محیط میکروسکوپی کیوبیت به دست آمده و زمان مناسبی برای بازبینی پلتفرم‌های مادی فراهم شده است. نتایج اخیر نشان می‌دهند که کاوش سیستماتیک در مواد جایگزین می‌تواند به افزایش زمان همدوسی منجر شود. برای مثال، جایگزینی فلزاتی نظیر نایوبیوم با تانتالوم () در ساخت ترنسمون‌های مسطح، توانسته اتلاف انرژی را کاهش دهد؛ چرا که تانتالوم تمایل به تشکیل یک لایه اکسید سطحی بسیار نازک و از نظر شیمیایی پایدار دارد که نقص‌های اتلافی کمتری را به مدار تحمیل می‌کند. تغییرات مادی به خود سد عایق نیز گسترش یافته است؛ در معماری گیت‌مون[17] سد اکسیدی با یک رابط نیمه‌رسانا تعویض شده است. این ساختار جایگزین به مهندسان اجازه می‌دهد تا فرکانس کیوبیت را به جای استفاده از میدان‌های مغناطیسی، مستقیماً از طریق اعمال یک ولتاژ الکتریکی تنظیم کنند و از نویزهای شار مغناطیسی فاصله بگیرند. در کنار اتصالات فلزی، بهینه‌سازی زیرلایه برای کاهش اتلاف دی‌الکتریک و نویز شار نیز از اهمیت بالایی برخوردار است. تاکنون، پردازنده‌های ابررسانای با همدوسی بالا تقریباً به طور انحصاری روی بسترهای سیلیکون یا تک‌بلورهای یاقوت کبود بنا شده‌اند، زیرا این مواد، محیطی با اتلاف انرژی بسیار پایین در دماهای برودتی فراهم می‌کنند. با این وجود، هنوز مطالعه سیستماتیکی روی تأثیر روش‌های مختلف سنتز بلور، آماده‌سازی‌های شیمیایی سطوح، یا استفاده از مواد جایگزین بستر انجام نشده است. برای عبور از این محدودیت‌ها، مسیر توسعه سخت‌افزار نیازمند شکستن مرزهای میان‌رشته‌ای است. پژوهشگران مدارهای ابررسانا باید با متخصصان رشد بلور و محققان سایر پلتفرم‌های کوانتومی وارد همکاری شوند.از آنجا که این حوزه‌ها نیز با منابع نویز مشابهی دست‌وپنجه نرم کرده‌اند، به اشتراک‌گذاری این تجربیات می‌تواند روند ساخت پردازنده‌های مقیاس‌پذیر را تسریع کند[1].
1redundant information, 2Cooper pair, 3anharmonicity, 4Josephson junction, 5self-limiting, 6pinholes, 7in situ, 8lift-off, 9two-level systems, 10quasiparticles, 11charge noise, 12Transmon, 13superconducting quantum interference device, 14flux noise, 15aging, 16epitaxy, 17Gatemon
منابع
N. P. de Leon et al., "Materials challenges and opportunities for quantum computing hardware," Science, vol. 372, no. 6539, p. eabb2823, Apr. 2021.
M. A. Nielsen and I. L. Chuang, Quantum Computation and Quantum Information, 10th Anniversary ed. Cambridge, U.K.: Cambridge Univ. Press, 2011.
[3] J. F. Annett, Superconductivity, Superfluids and Condensates. Oxford, U.K.: Oxford Univ. Press, 2004.
M. Kjaergaard et al., "Superconducting Qubits: Current State of Play," Annu. Rev. Condens. Matter Phys., vol. 11, pp. 369-395, Mar. 2020.
I. M. Pop et al., "Fabrication of stable and reproducible submicron tunnel junctions," J. Vac. Sci. Technol. B, vol. 30, no. 1, p. 010607, Jan. 2012.