El probador en oblea criogénico determina la calidad de los componentes de qubits para computación cuántica y sensores cuánticos

El probador de obleas criogénico en la línea en el Fraunhofer IAF caracteriza de forma totalmente automática hasta 25 obleas completas de 200 mm o 300 mm con dispositivos para computación y detección cuántica. © Fraunhofer IAF / El probador de obleas criogénico en el Fraunhofer IAF permite caracterizaciones totalmente automáticas de hasta 25 obleas completas de 200 mm o 300 mm con dispositivos para computación y detección cuántica. © Fraunhofer IAF

Vista en la cámara principal con una oblea de 200 mm en el centro sobre el portapiezas, que se mueve debajo de la tarjeta de prueba. El sistema está probando una oblea del proyecto »QUASAR», en el que investigadores están desarrollando transistores de un solo electrón (SET) basados en pozos cuánticos de silicio para ser utilizados como dispositivo para qubits de espín. © Fraunhofer IAF / Vista en la cámara principal con una oblea de 200 mm en el centro sobre el portapiezas, que se mueve debajo de la tarjeta de prueba. El sistema está probando una oblea del proyecto QUASAR, en el que investigadores están desarrollando transistores de un solo electrón (SET) basados en pozos cuánticos de silicio para ser utilizados como dispositivo para qubits de espín. © Fraunhofer IAF

1-K-Kryostat con líneas conducidas para mediciones de corriente continua y de alta frecuencia. © Fraunhofer IAF / 1 K cryostat with conducted lines for direct current and high-frequency measurements. © Fraunhofer IAF

La primera planta criogénica de Alemania para la medición estadística de calidad de componentes de qubits en obleas completas de 200 y 300 mm ha comenzado a operar en el Fraunhofer IAF. El probador en la oblea puede caracterizar componentes basados en puntos cuánticos semiconductores y topes cuánticos, así como superconductores a temperaturas de medición inferiores a 2 K. Gracias a su funcionamiento totalmente automático, los investigadores pueden construir una base de datos cuantitativamente relevante y avanzar en la fabricación industrial de componentes de alta calidad para computación cuántica y sensores cuánticos en Europa.

Con el nuevo probador criogénico en la oblea, los investigadores del Instituto Fraunhofer para la Física del Estado Sólido Aplicada IAF desean comprender mejor el funcionamiento de componentes cuánticos basados en puntos cuánticos semiconductores y topes cuánticos, así como superconductores. El dispositivo puede caracterizar de forma totalmente automática obleas de tamaño industrial (200 mm y 300 mm) y en grandes cantidades (hasta 25 obleas consecutivas) a temperaturas extremadamente bajas por debajo de 2 K (−271,15 °C).

Las cantidades de datos obtenidas reducen significativamente la dependencia de coincidencias aleatorias, típicas en mediciones individuales. De esta manera, el aumento de la capacidad de medición en el instituto contribuye a desarrollar una fabricación confiable de qubits de alta calidad, que pueden emplearse en computadoras cuánticas y sensores cuánticos.

En el momento de su puesta en marcha, la planta es la quinta en el mundo, la segunda en Europa y la primera en Alemania de su tipo. El Ministerio Federal de Educación e Investigación (BMBF) financió la adquisición y puesta en marcha del probador en el marco del proyecto «KryoproPlus – Provisión y verificación de un probador criogénico en la oblea».

Construir conocimientos especializados para la fabricación industrial de qubits

«Gracias al probador en la oblea, estamos adquiriendo habilidades nuevas y únicas a nivel nacional en caracterización criogénica», destaca el Prof. Dr. Rüdiger Quay, coordinador del proyecto «KryoproPlus» y director interino del instituto Fraunhofer IAF. «Con él, apoyaremos a nuestros socios de la investigación y la industria en la creación de una cadena de suministro europea para materiales y procesos de producción de qubits en sólidos. Así, podemos contribuir significativamente a la soberanía tecnológica de Alemania y Europa», anticipa Quay.

«El probador en la oblea nos proporciona por primera vez cantidades de datos estadísticamente relevantes, con las que podemos optimizar y escalar sistemáticamente la fabricación de componentes de qubits», explica Nikola Komerički, quien supervisa el proyecto «KryoproPlus» en el marco de su doctorado sobre la caracterización de componentes para computación cuántica. Komerički coordinó la instalación y puesta en marcha del equipo y ya realiza las primeras mediciones.

«Queremos entender mejor cómo obtener qubits buenos y homogéneos para facilitar la escalabilidad y la producción industrial de qubits en Alemania y Europa», añade Komerički. «Para ello, es necesario ampliar la perspectiva cualitativa con una vista cuantitativa y estadística sobre el comportamiento de los componentes.»

Mejorar los datos mediante mediciones automatizadas de obleas completas de 200 y 300 mm a temperaturas inferiores a 2 K

Los qubits basados en puntos cuánticos semiconductores, topes cuánticos y superconductores funcionan a temperaturas cercanas al cero absoluto (−273,15 °C), ya que minimizan las interferencias del entorno, activan la superconductividad y permiten la formación y entrelazamiento de los qubits. Por tanto, es fundamental que sean caracterizados a temperaturas de operación y que se recopile un conjunto de datos estadísticamente evaluables para su prueba, optimización y escalado.

El probador criogénico en la oblea llena este vacío de caracterización. La medición automatizada de obleas completas de 200 y 300 mm a temperaturas inferiores a 2 K, con tiempos de cambio cortos, aumenta exponencialmente la cantidad de datos disponibles. Con estos datos, los investigadores y técnicos disponen de la base necesaria para realizar mejoras específicas en los componentes para la formación de qubits y aumentar su escalabilidad.

Caracterización de componentes de qubits en los proyectos «MATQu», «QUASAR» y «QLSI»

Con la puesta en marcha completa del probador en la oblea, el proyecto «KryoproPlus» ha finalizado. La planta ya ha sido utilizada en los proyectos «MATQu – Materiales para la computación cuántica», «QUASAR – Procesador cuántico de semiconductores con arquitectura escalable basada en shuttling» y «QLSI – Integración cuántica a gran escala con silicio».

Para «MATQu», Komerički caracteriza y analiza contactos Josephson de niobio, que representan componentes para qubits transmon. Para «QUASAR» y «QLSI», se realizan caracterizaciones de transistores de efecto campo (FET) para transistores de un solo electrón (SET) basados en puntos cuánticos de silicio y, posteriormente, de SETs utilizados como componentes para qubits de espín.