[论文解读] Materials and devices for fundamental quantum science and quantum technologies

Marco Polini, Francesco Giazotto+15 more|arXiv (Cornell University)|Jan 23, 2022

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 13

一句话总结

本评论综述了用于可扩展量子技术的先进材料——超导薄膜、范德华异质结构以及莫尔量子物质。文章重点介绍了在高相干性量子比特、量子传感器和能效优化架构方面的进展，强调了材料驱动的量子计算、模拟、传感和热力学方面的突破。

ABSTRACT

Technologies operating on the basis of quantum mechanical laws and resources such as phase coherence and entanglement are expected to revolutionize our future. Quantum technologies are often divided into four main pillars: computing, simulation, communication, and sensing & metrology. Moreover, a great deal of interest is currently also nucleating around energy-related quantum technologies. In this Perspective, we focus on advanced superconducting materials, van der Waals materials, and moir\\'e quantum matter, summarizing recent exciting developments and highlighting a wealth of potential applications, ranging from high-energy experimental and theoretical physics to quantum materials science and energy storage.

研究动机与目标

• 识别并分析能够实现可扩展、高相干性量子系统的新兴材料与器件平台。
• 探讨材料科学在推动量子计算、模拟、传感和通信方面的作用。
• 突出量子力学资源与能效之间在下一代量子器件中的相互作用。
• 从材料视角提供对第二次量子革命的见解，不包括冷原子和离子阱系统。
• 强调材料工程在实现实用化、大规模量子技术中的重要性。

提出的方法

• 综述三大关键材料类别的最新进展：超导谐振腔、二维范德华异质结构以及莫尔量子物质。
• 分析如三维超导谐振腔和 transmon 量子比特等器件架构，以提升相干性和可扩展性。
• 评估无序和高临界温度（Tc）超导薄膜的应用，以减少退相干并增强量子比特性能。
• 研究过渡金属二硫属化合物和石墨烯等二维材料在可调谐量子器件及强电子-振动耦合中的作用。
• 探究扭曲双层石墨烯中的莫尔超晶格在关联量子相和拓扑态中的表现。
• 评估脉冲回收和纠错驱动方案等能效优化设计，以降低量子系统中的功耗。

实验结果

研究问题

• RQ1 先进超导材料如何提升超导量子比特的相干性和可扩展性？
• RQ2 范德华异质结构在实现可调谐、低损耗量子器件中发挥何种作用？
• RQ3 莫尔量子物质体系如何支持涌现的关联和拓扑量子相？
• RQ4 量子材料在何种方式下可降低量子计算架构中的能耗？
• RQ5 量子效应如何增强量子器件中的能量存储与能效？

主要发现

• 具有低表面积与体积比的三维超导谐振腔显著降低介电损耗，提升量子比特相干性。
• 高Tc和无序超导薄膜在减少退相干和实现鲁棒量子比特运行方面展现出潜力。
• 范德华异质结构可实现强电子-振动耦合，从而提升量子超级电容器的电容性能。
• 扭曲双层石墨烯中的莫尔超晶格可容纳关联绝缘态和超导态，支持拓扑量子现象。
• 脉冲回收与纠错驱动方案可降低量子计算机中单个门操作的平均能耗。
• 大规模量子系统中的能量最小化约束导致与规模相关的噪声，凸显了整体能量优化的必要性。