क्वांटम कम्प्यूटिंग उपकरणों में उन्नत सिरेमिक्स की संभावित

• ]Extreme थर्मल स्थिरता: कई उन्नत सिरेमिक अपने यांत्रिक और विद्युत गुणों को क्रायोजेनिक तापमान (1 K से नीचे) से कई सौ डिग्री सेल्सियस तक बनाए रखते हैं।
• ]उच्च विद्युत प्रतिरोधकता: वे उत्कृष्ट विद्युतरोधक के रूप में कार्य करते हैं, रिसाव धाराओं और ढांकता हुआ नुकसान को कम करते हैं - क्विबिट राज्यों के संरक्षण के लिए क्रिटिकल।
• कम तापीय विस्तार: तापमान के साथ आयामी परिवर्तन कम से कम हैं, बहु-सामग्री विधानसभाओं में तनाव को कम करते हैं।
• ]मैकेनिकल कठोरता और ताकत: वे विरूपण और पहनने का विरोध करते हैं, जो मजबूत संरचनात्मक समर्थन प्रदान करते हैं।
• Chemical inertness: जंग और आउटगास के प्रतिरोध वैक्यूम या क्रायोजेनिक वातावरण में दीर्घकालिक स्थिरता सुनिश्चित करता है।

ये गुण आकस्मिक नहीं हैं; वे मजबूत आयनिक या समतुल्य बंधन और एक क्रिस्टलीय संरचना से उत्पन्न होते हैं जिन्हें उन्नत प्रसंस्करण के माध्यम से तैयार किया जा सकता है। क्वांटम हार्डवेयर के लिए, कम विद्युत हानि और उच्च तापीय चालकता (SiC जैसे कुछ सिरेमिक में) का संयोजन विशेष रूप से मूल्यवान है।

क्वांटम कम्प्यूटिंग और कैसे सिरेमिक मदद में महत्वपूर्ण चुनौतियां

उन्नत सिरेमिक की भूमिका की सराहना करने के लिए, क्वांटम डिवाइस इंजीनियरिंग में प्राथमिक बाधाओं को समझना आवश्यक है:

Qubit Coherence and Decoherence

Qubits असाधारण रूप से उनके पर्यावरण के प्रति संवेदनशील हैं। किसी भी प्रकार के विद्युत क्षेत्रों, चुंबकीय शोर, या phonons के साथ बातचीत अपने क्वांटम राज्य को खोने के लिए क्विबिट का कारण बन सकता है - एक प्रक्रिया जिसे decoherence कहा जाता है। यह उस समय (समान समय) को सीमित करता है जिसके दौरान क्वांटम ऑपरेशन किया जा सकता है। उन्नत सिरेमिक एक ] कम नुकसान ढांकता हुआ वातावरण प्रदान करके मदद करते हैं। उदाहरण के लिए, अतिचालक क्विबिट (फ्लक्स, ट्रांसमोन) को अक्सर सब्सट्रेट्स पर तैयार किया जाता है, जिसमें न्यूनतम माइक्रोवेव अवशोषण होना चाहिए। उच्च शुद्धता वाले टैलेंट सिलिकॉन सब्सट्रेट्स को आमतौर पर कम से कम बिजली वाले नुकसान के लिए इस्तेमाल किया जाता है।

क्रायोजेनिक तापमान पर थर्मल प्रबंधन

क्वांटम प्रोसेसर कमजोरी रेफ्रिजरेटर के अंदर मिलिकेलविन तापमान पर काम करते हैं। जबकि कई सामग्री भंगुर हो जाती है या ऐसे कम तापमान पर बड़े थर्मल संकुचन से गुजरती हैं, सिलिकॉन नाइट्राइड और एल्यूमीनियम नाइट्राइड जैसे उन्नत सिरेमिक उनकी संरचनात्मक अखंडता को बनाए रखते हैं। कुछ सिरेमिक में मध्यम तापीय चालकता (जैसे, एल्यूमीनियम नाइट्राइड ~ 180 W / mK कमरे के तापमान पर, अभी भी कम T पर सराहना योग्य है), जो विद्युत चालकता को पेश किए बिना गर्मी सिंक में सहायता करता है।

शोर अलगाव और शील्डिंग

विद्युत शोर - नियंत्रण लाइनों, पास के इलेक्ट्रॉनिक्स या यहां तक कि सब्सट्रेट से ही - भ्रष्ट क्विबिट ऑपरेशन कर सकते हैं। सिरेमिक्स डायइलेक्ट्रिक अलगाव परतें के रूप में अंतर संयोजनों और तारों में काम करते हैं। उदाहरण के लिए, सिरेमिक स्टैंडऑफ़ और फीडथ्रू का उपयोग ग्राउंड लूप्स और रिसाव को रोकने के दौरान क्रायोस्टैट में संकेतों को रूट करने के लिए किया जाता है। उनके उच्च ब्रेकडाउन वोल्टेज भी क्रॉसटॉक के बिना उच्च घनत्व वाले तारों की अनुमति देता है।

क्वांटम उपकरणों में विशिष्ट उन्नत सिरेमिक

कई चीनी मिट्टी के बरतनों ने क्वांटम कंप्यूटिंग आर्किटेक्चर में विशेष भूमिकाएं पाई हैं:

Alumina (Al2O3)

Alumina अतिचालक qubits के लिए सबसे आम सब्सट्रेट सामग्री है क्योंकि इसके कम माइक्रोवेव हानि और वाणिज्यिक उपलब्धता के कारण वेफर रूप में है। इसकी सतह खुरदरापन को दो-स्तरीय प्रणाली (TLS) दोषों को कम करने के लिए नियंत्रित किया जा सकता है जो decoherence का कारण बनता है। Rigetti कम्प्यूटिंग और MIT] में अनुसंधान समूहों ने ट्रांसमोन क्विबिट में 100 μs से अधिक का सामना करने के लिए अल्युमिना सब्सट्रेट का उपयोग किया है।

सिलिकॉन कार्बाइड (SiC)

SiC अपनी उच्च तापीय चालकता और ऑप्टिकल सक्रिय दोष केन्द्रों (जैसे सिलिकॉन रिक्ति) की मेजबानी करने की क्षमता के कारण कर्षण प्राप्त कर रहा है जो स्पिन क्विबिट के रूप में काम कर सकता है। यह थर्मल प्रबंधन में सुधार होने पर अतिचालक सर्किट के लिए एक सब्सट्रेट के रूप में भी प्रयोग किया जाता है। इसका व्यापक बैंडगैप इसे नियंत्रण सर्किटरी में बिजली इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए आदर्श बनाता है। शिकागो की विश्वविद्यालय ] में शोधकर्ताओं ने SiC में लंबे समय तक चलने वाले स्पिन क्विबिट का प्रदर्शन किया है।

• Ceramic 3D सर्किट QED: 2021 में, शोधकर्ताओं ने ]Yale University]]]]]] ने रिकॉर्ड सह-संयोजकता के साथ एकल-तैया-स्तर क्वांटम संचालन को प्राप्त करने के लिए एक उच्च शुद्धता वाले एल्युमिना गुहा का इस्तेमाल किया। सिरेमिक गुहा ने पारंपरिक धातु गुहाओं को बदल दिया और ढांकता हुआ नुकसान कम किया।
• ] आयन ट्रैप के लिए सिरेमिक इन्सुलेटर: ट्रैप्ड आयन क्वांटम कंप्यूटरों को उन सामग्रियों की आवश्यकता होती है जो उच्च वोल्टेज का सामना कर सकते हैं और कम आउटगैसिंग कर सकते हैं। उन्नत सिरेमिक जैसे कि मशीनेबल ग्लास-सिरेमीकिक्स (जैसे, मैकोर) का उपयोग अंतरिक्ष यानों और चिप वाहकों को इन्सुलेट करने के रूप में किया जा रहा है। उनका थर्मल विस्तार इलेक्ट्रोड सामग्री से मेल खा सकता है, थर्मल तनाव को कम करता है।
• क्रायोजेनिक फीडथ्रू: सिरेमिक से धातु सील कम विरूपण संकेत संचरण के लिए महत्वपूर्ण हैं। CeramTec] और Morgan Advanced Materials]] जैसे कंपनियां एल्यूमिना या बेरिलिया का उपयोग करके हर्मेटिक फीडथ्रू का उत्पादन करती हैं (हालांकि बेरिलिया विषाक्त है, इसका उपयोग डिक्लिनिंग है)।
• ]]Topological Qubits के लिए सिरेमिक सबस्ट्रेट्स: टॉपोलॉजिकल क्वाबिट्स नैनोवायर जैसी विदेशी सामग्रियों पर निर्भर हैं। सटीक जाली मिलान के साथ सिरेमिक सबस्ट्रेट्स इन तारों के epitaxial विकास में सुधार कर सकते हैं।

ये उदाहरण सिरेमिक अनुप्रयोगों की चौड़ाई को चित्रित करते हैं, निष्क्रिय समर्थन संरचनाओं से सक्रिय क्विबिट वातावरण तक।

भविष्य की संभावना और एकीकरण पथमार्ग

आगे की तलाश में, उन्नत सिरेमिक को एक और एकीकृत भूमिका निभाने की उम्मीद है। एक आशाजनक दिशा का विकास है हाइब्रिड सिरेमिक-सेमीकंडक्टर क्वांटम सिस्टम । रंग केन्द्रों के साथ सिलिकॉन कार्बाइड को एम्बेड करके (जैसे हीरे में NV केंद्र लेकिन SiC में), शोधकर्ताओं का उद्देश्य क्वांटम नेटवर्क के लिए स्केलेबल फोटोनिक इंटरफेस बनाना है। एक अन्य एवेन्यू लंबी दूरी पर सिरेमिक क्विबिट्स के युग्मन के लिए कम-हानि सिरेमिक रेज़ोनेटरों का उपयोग है। बेहतर संश्लेषण तकनीक - जैसे कि एल्यूमीनियम-परत जमावरण (ALD) जैसी फिल्म की तेजी से उत्पादन क्षमता को कम करने वाली है।

Key Takeaway:] क्वांटम कंप्यूटिंग का भविष्य उन सामग्रियों पर निर्भर करेगा जो साथ ही विद्युत इन्सुलेशन, थर्मल प्रबंधन और कम माइक्रोवेव हानि प्रदान कर सकते हैं। उन्नत सिरेमिक विशिष्ट रूप से सभी तीन मानदंडों को पूरा करने के लिए तैनात हैं, और चल रहे अनुसंधान उन्हें प्रयोगशाला से वाणिज्यिक क्वांटम सिस्टम में ला रहे हैं।

निष्कर्ष

क्वांटम कंप्यूटिंग विज्ञान में सबसे रोमांचक और चुनौतीपूर्ण फ्रंटियरों में से एक है। जबकि क्वाबिट डिजाइन और त्रुटि सुधार पर बहुत ध्यान केंद्रित किया गया है, जो कि घर और इन क्विबिट की रक्षा करना समान रूप से महत्वपूर्ण है। उन्नत सिरेमिक - उनके असाधारण थर्मल स्थिरता, विद्युत इन्सुलेशन और यांत्रिक मजबूती के साथ-साथ कई भौतिक बाधाओं को हल करने के लिए एक सम्मोहक समाधान प्रदान करते हैं जो वर्तमान में प्रदर्शन को सीमित करते हैं। एल्यूमिना सबस्ट्रेट्स से जो स्पिन क्विबिट्स के लिए सिलिकॉन कार्बाइड प्लेटफार्मों के लिए सुसंगतता समय का विस्तार करते हैं, सिरेमिक उनके लायक साबित हो रहे हैं। चूंकि सामग्री विज्ञान और क्वांटम इंजीनियरिंग को मजबूर करना जारी है, हम भविष्य के क्वांटमेन्टमेन्टलिटी कंप्यूटिंग उपकरणों में एक मूलभूत प्रौद्योगिकी बनने की उम्मीद कर सकते हैं।