Imec dosáhla nejnižšího náboje šumu pro Si-MOS kvantové body, vyrobené na platformě CMOS o rozměru 300 mm

Si spinové kvantové bity, vyrobené moderními 300mm integračními procesy. / Si spinové kvantové bity vyrobené nejmodernějšími integračními procesy na 300mm.

Imec, světově přední výzkumné a inovační centrum pro nanoelektroniku a digitální technologie, dnes oznámilo úspěšnou demonstraci vysoce kvalitního zpracování kvantových bodů založených na křemíku o průměru 300 mm, s prvky, které vedou k statisticky významnému průměrnému šumu náboje 0,6 µeV/√Hz při 1 Hz. Pokud jde o chování šumu, dosažené hodnoty jsou nejnižší hodnoty šumu náboje, jaké byly dosud dosaženy na platformě kompatibilní s fabrickou výrobou o průměru 300 mm. Takto nízké hodnoty šumu umožňují vysoce přesnou kontrolu qubitů, protože snížení šumu je klíčové pro udržení kvantové koherence a přesnou řízení. Opakovanou a reprodukovatelnou demonstrací těchto hodnot na procesu kvantových bodů z křemíku MOS o průměru 300 mm činí tato práce krokem k masové výrobě kvantových počítačů založených na kvantových bodech ze Si, což je reálná možnost.

i-Quantenpunkt-Spin-Qubits jsou z dvou hlavních důvodů slibnými stavebními kameny pro realizaci velkých kvantových počítačů. Za prvé, Si-Spin-Qubits s dlouhými kvantovými koherentními časy (metrika odrážející jejich schopnost uchovávat kvantové informace po dlouhou dobu) a vysoce přesnými kvantovými bránami byly opakovaně demonstrovány v laboratorních podmínkách a jsou proto zavedenou a ověřenou technologií s velmi reálnými perspektivami. Za druhé, a možná ještě důležitější pro dlouhodobou rentabilitu, je základní technologie kompatibilní s výrobními technologiemi CMOS a úzce s nimi propojená, což nabízí možnost rovnoměrné a vysoké výtěžnosti na úrovni waferu s pokročilým zadním koncem výroby propojení struktur kvantových bodů ze Si, které jsou nezbytné pro skutečně velké kvantové čipy s miliony nebo dokonce miliardami synchronně pracujících kvantových bitů.

Existuje několik typů kvantových bodů ze Si, které jsou v imecu zkoumány. V této práci byly kvantové body definovány pomocí struktur MOS (metal-oxide-semiconductor), které připomínají modifikované tranzistorové struktury a zachycují jednotlivý spin elektronu nebo dírky. Aby bylo možné dosáhnout dlouhých kvantových koherentních časů, mělo by být šumění, zejména šum náboje v kvantovém bodě, co nejnižší. Tento šum obvykle vzniká zbytkovými náboji, které jsou zachyceny v blízkosti nebo dokonce uvnitř kvantového bodu. Odstranění těchto zbytkových nábojů je klíčem ke zvýšení výkonu spinových qubitů. Nakonec je to určeno celým výrobním procesem struktury kvantového bodu, protože všechny defekty, které se tam vyskytují, musí být minimalizovány. To lze sice dosáhnout pomocí laboratorních technik, jako jsou velmi šetrné metody "lift-off", které snižují procesní poškození, avšak průmyslové výrobní techniky, jako jsou odstraňování subtraktivními metodami a strukturování pomocí lithografie, se ukázaly jako problematické, protože mohou snadno vést ke zhoršení kvality prvků a rozhraní, zejména na rozhraní Si/SiO2 v blízkosti kvantových bodů. Proto je šum náboje u struktur kvantových bodů založených na Si/SiO2 vyráběných v profesionálních výrobních zařízeních obvykle vyšší než hodnoty dosažené v laboratořích.

Pečlivou optimalizací a technickým návrhem 300mm MOS-gate stacků založených na Si/SiO2 dosáhl imec rekordního průměrného šumu náboje pouze 0,6 µeV/√Hz (při 1 Hz) na waferu o průměru 300 mm, který byl charakterizován statistickými metodami. Kristiaan De Greve, Fellow a ředitel programu pro kvantové počítače v imecu: „Dokázali jsme prokázat šumové úrovně, které jsou podle zdroje nižší o polovinu až celou řádovou velikost než u současných nejmodernějších struktur kvantových bodů ze Si založených na fabrice, a dosáhli jsme pozoruhodně rovnoměrného provozu kvantových bodů. Naše výsledky potvrzují, že 300mm Si-MOS je přesvědčivou materiálovou platformou pro kvantové body spinových qubitů a zdůrazňují vyspělost průmyslových výrobních technik pro vývoj qubitů.“

Kromě toho statistické analytické metody používané k charakterizaci prvků s nízkým šumem náboje poskytly základní poznatky o jejich původu. „Pokud známe příčinu šumu náboje, můžeme dále optimalizovat struktury kvantových bodů,“ dodává De Greve. „Nízký šum prostředí qubitů a prokázaná jednotnost výroby CMOS jsou pouze začátkem řady vývojů, které umožní technologii pro upgrade kvantových čipů na praktické kvantové výpočty, které podle současného porozumění budou vyžadovat miliony fyzických qubitů.“

Výše uvedené výsledky byly publikovány v následujícím článku: https://www.nature.com/articles/s41534-024-00864-3