EU projekt spojuje síly na cestě k éře škálovatelných kvantových procesorů

Der kryogene On-Wafer-Prober am Fraunhofer IAF charakterisiert vollautomatisch bis zu 25 ganze 200-mm- oder 300-mm-Wafer mit Bauelementen für Quantencomputer. © Fraunhofer IAF / Kryogenní on-wafer prober ve Fraunhofer IAF umožňuje plně automatické charakterizace až 25 celých 200mm nebo 300mm waferů s prvky pro kvantové počítače a senzory. © Fraunhofer IAF

Příprava pro RF-Charakterisierung pod kryogenními podmínkami. © Fraunhofer IPMS / Setup pro RF-Charakterisierung za kryogenních podmínek. © Fraunhofer IPMS

Konsorcium ARCTIC. © imec / Konsorcium ARCTIC. © imec

© imec

Pro využití kvantových počítačů je vývoj řízení pro škálovatelné systémy zásadní, ale ještě je v počáteční fázi. Projekt »ARCTIC« spojuje 36 mezinárodních partnerů z průmyslu, vědy a předních výzkumných institucí, aby vybudoval kompletní a komplexní evropský dodavatelský řetězec pro škálovatelnou, spolehlivou a inovativní řídicí infrastrukturu pro kryogenní kvantové procesory. Německé instituce Fraunhofer IPMS a Fraunhofer IAF do projektu přinášejí své rozsáhlé znalosti v charakterizaci elektronických komponent. EU financuje projekt částkou přes 11 milionů eur na dobu tří let.

V současnosti jsou kvantové počítače považovány za nejperspektivnější kandidáty na efektivní řešení problémů, které jsou pro klasické počítače zcela nedosažitelné. Vyžadují však obrovské úsilí v řízení a rozhraních, aby mohly fungovat. U kvantových počítačů založených na qubitech, které jsou provozovány v kryostatu blízko absolutní nuly, je však počet možných signálových vedení, která lze vést od řídicích zařízení do kryostatů, omezený. To je způsobeno omezeným prostorem, teplem přenášeným dráty a délkou existujících drátů, která je omezena nutností zachování signálové integrity.

„Požadavky na výkon elektronických zařízení a obvodů při kryogenních teplotách jsou úplně odlišné od těch při pokojové teplotě. Zejména u velmi citlivých aplikací, jako jsou kvantové procesory, je nutné optimalizovat všechny aspekty mikroelektronických technologií,“ říká Alexander Grill, vědecký vedoucí projektu »ARCTIC« („Pokročilé kryogenní technologie pro inovativní výpočet“) v belgickém výzkumném centru imec. Očekávané výsledky projektu jsou považovány za důležitý krok pro vysoce žádané technologie, které mohou řešit stávající problémy v oblastech jako je počítačem řízená chemie, biovědy nebo kryptografie nezbytná pro ochranu soukromí a kybernetickou bezpečnost.

Pro překonání dosavadních překážek spojuje »ARCTIC« 36 partnerů, aby vybudoval kompletní a komplexní evropský dodavatelský řetězec pro kryogenní fotoniku, mikroelektroniku a kryo-mikrosystémy v souvislosti s rostoucím průmyslem kvantových počítačů a různými kryogenně řízenými ICT aplikacemi.

Společnost Fraunhofer je do projektu »ARCTIC« zapojena prostřednictvím svých institutů IPMS (Photonické mikrosystémy) a IAF (Aplikovaná pevnolátková fyzika). Hlavním zaměřením jejich práce je charakterizace prvků v kryogenním prostředí a na waferech v průmyslové velikosti pro kryogenní kvantové procesory, stejně jako analýza elektrického chování tranzistorů a paměťových prvků při neobvykle nízkých teplotách.

Fraunhofer IAF charakterizuje periferní prvky pro kryogenní kvantové procesory

Charakterizace elektronických komponent je stejně důležitá jako časově náročná, zvláště pokud jde o kryogenní měření a charakterizace s dlouhým časem chlazení a ohřevu. Fraunhofer IAF hraje klíčovou roli v »ARCTIC«, umožňuje totiž charakterizaci periferních prvků pro kryogenní kvantové procesory na waferech v průmyslovém měřítku pomocí automatizovaného kryogenního plného waferového zkušebního zařízení. Kromě rozsáhlých znalostí o metodách charakterizace polovodičových prvků pro výzkum a vývoj až po průmyslové testy waferů o velikosti 200 mm a 300 mm je Fraunhofer IAF jedním z mála evropských poskytovatelů takového zařízení pro testování při velmi nízkých teplotách pod 2 K. Tyto důkladné znalosti o charakterizaci kryogenních komponent a statistické variabilitě klíčových technologií budou klíčovou součástí »ARCTIC« a přispějí k urychlení průmyslového testování kryogenních technologií, které jsou nezbytné pro škálování kvantových počítačů.

Projekt na Fraunhofer IAF je financován v rámci programu Horizon Europe EU a spolufinancován Spolkovým ministerstvem vzdělávání a výzkumu (BMBF).

Fraunhofer IPMS přináší své kompetence v charakterizaci komerčních polovodičových prvků

Centrum Nanoelectronic Technologies (CNT) při Fraunhofer IPMS se zabývá charakterizací a modelováním bipolárních a CMOS tranzistorů a paměťových prvků při kryogenních teplotách. Hlavní zaměření je na vysokofrekvenční, šumové a defektové charakteristiky a modelování komerčních tranzistorů v technologii 22FDX FDSOI a na vývoji optimalizovaných nevolatilních ferroelektrických pamětí. K tomu je klíčové zlepšit metody charakterizace v kryogenním prostředí a na celých waferech a získat hluboké porozumění chování FET a paměťových prvků při neobvykle nízkých teplotách. „Chceme získat nové poznatky o energetické poloze a počtu elektrických defektů v tranzistorech. To umožní průmyslu nabízet nové kryogenní produkty a Fraunhofer může nabídnout unikátní metody charakterizace. Snížení defektově indukovaného šumu v elektronice je důležitým faktorem pro zvýšení koherence qubitových stavů, a proto jsou vyvinuté metody přímo relevantní pro kryogenní kvantové výpočty. U nevolatilních pamětí je také důležité minimalizovat spotřebu energie paměťových prvků, protože chladicí výkon v kryostatech je velmi omezený,“ vysvětluje Dr. Maik Simon, výzkumník ve skupině Quantum Technologies v CNT v Drážďanech.

Dalším klíčovým zaměřením kompetencí Fraunhofer IPMS je zkoumání využitelnosti nevolatilních ferroelektrických pamětí pro kryogenní prostředí prostřednictvím elektrické charakterizace a fyzikálního modelování. Tento průlomový výzkum ukáže, jak prvky fungují při nízkých teplotách a jaké parametry lze změnit pro zlepšení přepínacích vlastností, hustoty integrace a spolehlivosti.

Projekt na Fraunhofer IPMS je spolufinancován Spolkovým ministerstvem vzdělávání a výzkumu (BMBF) a Saským státním ministerstvem pro hospodářství, práci a dopravu (SMWA).

O projektu »ARCTIC«

»ARCTIC« spojuje vývojáře technologií, integrátory technologií, modeláře, návrháře, systémové či aplikační aktéry a koncové uživatele, aby zajistil plynulý přechod mezi jednotlivými úrovněmi. Současně se velká část úsilí zaměřuje na chybějící propojení – mimo jiné v oblasti kryogenního modelování a standardizace. Navíc je v Evropě budováno jedinečné výzkumné a vývojové ekosystémové prostředí, ve kterém spolupracují různé výzkumné a technologické organizace a které vytváří most mezi akademickými inovačními modely a průmyslovým využitím – přičemž to platí jak pro malé a střední podniky, tak pro velké průmyslové firmy.