Superledende qubits af høj kvalitet fremstillet med CMOS-kompatible teknologier

Kvantecomputere lover dramatisk at påvirke udvalgte anvendelsesområder, herunder materialesyntese, udvikling af farmaceutiske lægemidler og cybersikkerhed – for at nævne nogle få.

I kvantekredsløbsmodellen for beregning er en kvantelogisk gate (eller blot kvanteport) en grundlæggende operation på et lille antal qubits, som er analog med en klassisk logisk gate for konventionelle digitale kredsløb. Qubits er byggestenene i kvantekredsløb. Forskellige kvantecomputerplatforme med forskellige typer qubits er ved at blive udviklet, og verdensomspændende bestræbelser på at bringe dem fra laboratoriet til verden.

En af de lovende teknologier til kvanteberegning gør brug af superledende kredsløb. Anton Potočnik, seniorforsker i kvanteberegning ved IMEC, siger:"Energitilstandene for superledende qubits er relativt nemme at kontrollere, og gennem årene har forskere været i stand til at koble et stigende antal qubits sammen. Dette muliggør en evig- højere niveau af sammenfiltring – som er en af ​​grundpillerne i kvanteberegning. Oven i købet har forskningsgrupper verden over demonstreret superledende qubits med lange kohærenstider (op til flere 100 µs) og tilstrækkelig høje gate-fidelities – to vigtige benchmarks for kvanteberegning ."

Mens kohærenstid giver os information om, hvor længe en qubit bevarer sin kvantetilstand (og dermed dens information), kvantificerer gate-fidelity forskellen i drift mellem en ideel gate og den tilsvarende fysiske gate i kvantehardware.

Implementering i stor skala hindret af variabilitetsproblemer

De opmuntrende resultater nævnt ovenfor er indtil videre kun opnået i laboratorieskala, ved hjælp af dobbeltvinklet fordampning og afløftningsteknikker til at lave det mest kritiske element:Josephson-krydset. "Den superledende qubit er i det væsentlige et ikke-lineært LC-resonatorkredsløb, der indeholder en ikke-lineær induktor (L) og en kondensator (C)," forklarer Anton Potočnik.

"Josephson-krydset tager rollen som en ikke-lineær, ikke-dissiperende induktor, som giver os mulighed for at manipulere qubit-energitilstande til at repræsentere for eksempel en superposition på 10> og 11>. For at minimere ethvert tab af energi eller, i med andre ord, maksimer kohærenstiden, de forskellige grænseflader, der er indeholdt i strukturerne, der udgør krydset og kondensatoren, skal være så rene som muligt. Selv en atomare defekt til stede ved en af ​​grænsefladerne kan få qubit til at miste energi. Og det er derfor dobbeltvinklet fordampning og lift-off er de foretrukne fremstillingsteknikker:de kan give disse ekstremt rene grænseflader."

Men disse fremstillingsteknikker har en alvorlig ulempe:de udfordrer en yderligere opskalering mod et større antal qubits. Implementering i stor skala hindres af variationen i Josephson-energien i det fordampede kryds. Derudover begrænser fremstillingsteknikken valget af det superledende materiale og dermed potentialet for qubit-forbedring.

En alternativ tilgang ved hjælp af CMOS-kompatible fremstillingsteknikker

Jeroen Verjauw, ph.d. forsker ved IMEC, siger:"Vores team hos IMEC har undersøgt alternative måder at fremstille de superledende kredsløb på. Vores fokus var på at skabe såkaldte overlap Josephson-forbindelser ved kun at bruge CMOS-kompatible materialer og teknikker, da dette gør det muligt at udnytte den pålidelighed og reproducerbarhed, der tilbydes ved state-of-the-art CMOS-behandlingstrin for at kontrollere variabilitet og lette opskalering."

Overlapningsforbindelser har to elektroder (bund (BE) og top (TE)) adskilt af et tyndt isolatorlag. Elektroderne er defineret i to mønstrende cyklusser med et vakuumbrud imellem. Bruddet introducerer ukontrolleret vækst af naturligt metaloxid, som skal fjernes under et såkaldt Ar-fræsningstrin. "Dette Ar-fræsningstrin er dog kendt for at være meget kritisk og er tidligere blevet rapporteret at introducere uønskede energitab," tilføjer Jeroen Verjauw.

Kohærenstider op til 100 µs, gate-fidelity på 99,94 %

Tsvetan Ivanov, forsker ved IMEC, siger:"Vi har i vores laboratorium demonstreret superledende qubits med kohærenstider på over 100 µs og en gennemsnitlig single-qubit gate-fidelity på 99,94%. Disse resultater er sammenlignelige med state-of-the-art enheder, men for første gang er de opnået ved hjælp af CMOS-kompatible fremstillingsteknikker - såsom avanceret sputter-aflejring og subtraktiv ætsning. Disse banebrydende resultater kunne opnås ved at forbedre den kendte proces til fremstilling af overlapningsforbindelserne. Forbedringer omfatter procesoptimering for at reducere antallet af procestrin og grænseflader (og dermed risikoen for energitab), et forbedret Ar-fræsningstrin og den eksklusive brug af aluminium (Al) til fremstilling af elektroderne."

De næste trin:300 mm fremstilling, reduktion af tabene og adressering af reproducerbarhed

Vores eksperimenter beskrevet i NPJ Quantum Information er indtil videre kun blevet opnået i et laboratoriemiljø på substratkuponer. Tsvetan Ivanov:"Alligevel varsler den præsenterede fremstillingsmetode en vigtig milepæl hen imod en fremstillingsbar 300 mm CMOS-proces for superledende qubits af høj kvalitet. Snart vil vi overføre fremstillingen af ​​disse superledende kredsløb til IMEC's ​​300 mm fab. Vi er ivrige efter at verificere, om høje kohærenstider kan gengives på større wafer-substrater."

Jeroen Verjauw:"Derudover har vi designet vores testkøretøjer således, at vi kan studere, hvor energitabet kommer fra. De første resultater har vist, at tabene hovedsageligt opstår på den ydre overflade af strukturen, og ikke på det kritiske krydsningsniveau. Dette er opmuntrende, da det giver plads til optimering ved at anvende mere dedikerede overfladebehandlingstrin. Og endelig giver vores fremstillingsmetode en vej mod fremstilling af reproducerbare qubits over et stort waferområde med lav variation i for eksempel qubit-frekvens."

Alligevel er der andre forhindringer på vejen mod praktiske superledende-baserede kvantecomputere. Anton Potočnik konkluderer:"Superledende qubits er stadig relativt store (mm-størrelse) sammenlignet med for eksempel halvledende spin-qubits (nm-størrelse). Vi undersøger, hvordan vi yderligere kan krympe enhederne. Der er også mange indsatser i gang på den algoritmiske side. qubits, som vi laver i dag, er ikke ideelle, så der er en enorm indsats fra den teoretiske side for at udvikle algoritmer, der er mere modstandsdygtige over for tab og fejl, og for at udvikle kvantefejlkorrektionsprotokoller. Oveni det vil vores samfund have brug for skalerbare, meget velkalibreret instrumentering til at interagere med det voksende antal superledende qubits, for at kontrollere dem og udlæse meningsfulde resultater."

Konklusion og udsigter

Kristiaan De Greve, programdirektør quantum computing hos IMEC, ser dette arbejde af Anton, Tsvetan, Jeroen og deres medarbejdere som en afgørende milepæl i retning af at kunne overvinde fundamentale barrierer for opskalering af superledende qubits i kraft af industriens kontrol- og nøjagtighedsfordele. standardbehandlingsmetoder:"Da mange tusinde til millioner af fysiske qubits sandsynligvis vil være nødvendige for fremtidens kvanteprocessorer, vil det være afgørende at overvinde begrænsninger på grund af variabilitet og lavt udbytte. IMEC investerer derfor betydeligt i at forstå og benchmarke disse begrænsninger og introducere nye løsninger, der udnytter vores erfaring inden for avanceret processtyring."

Danny Wan, programleder kvanteberegning hos IMEC, tilføjer:"Inden for IMEC's ​​program om kvanteberegning har vores forskere sat sig selv den udfordring at bringe kvanteberegning (både halvledende og superledende baseret) fra laboratoriet til verden. Resultater som beskrevet i NPJ Kvanteinformation er ekstremt opmuntrende og bekræfter, at vi er på rette vej med at forfølge vores mission."

Undersøgelsen er publiceret i npj Quantum Information . + Udforsk yderligere

En alternativ superledende qubit opnår høj ydeevne til kvanteberegning