Imec logra el menor ruido de carga para puntos cuánticos de Si-MOS, fabricados en una plataforma CMOS de 300 mm

Si qubits de espín, fabricados con los procesos de integración de vanguardia de 300 mm. / Si spin qubits manufactured with state-of-the-art 300mm integration flows.

Imec, un centro mundial de investigación e innovación líder en nanoelectrónica y tecnologías digitales, anunció hoy la exitosa demostración de un procesamiento de qubits de espín en puntos cuánticos basados en silicio de alta calidad de 300 mm, con componentes que conducen a un nivel de ruido de carga promedio estadísticamente relevante de 0,6 µeV/√Hz a 1 Hz. En cuanto al comportamiento del ruido, los valores alcanzados son los niveles más bajos de ruido de carga que se han logrado hasta ahora en una plataforma compatible con fabricación en fábrica de 300 mm. Tales niveles bajos de ruido permiten un control de qubits de alta precisión, ya que la reducción del ruido es crucial para mantener la coherencia cuántica y para un control de alta precisión. La demostración repetida y reproducible de estos valores en un proceso de puntos cuánticos de silicio MOS de 300 mm hace que este trabajo acerque la posibilidad de computadoras cuánticas a gran escala basadas en puntos cuánticos de Si a una realidad.

Los qubits de espín en puntos cuánticos de i son componentes prometedores para la realización de computadoras cuánticas a gran escala por dos razones principales. En primer lugar, los qubits de espín en Si, con largos tiempos de coherencia cuántica (una métrica que refleja su capacidad para almacenar información cuántica durante períodos prolongados) y operaciones de puertas cuánticas de alta precisión, han sido demostrados repetidamente en entornos de laboratorio, por lo que constituyen una tecnología establecida y probada con perspectivas muy realistas. En segundo lugar, y quizás aún más importante para la rentabilidad a largo plazo, la tecnología subyacente es compatible y estrechamente vinculada con las tecnologías de fabricación CMOS, ofreciendo así la posibilidad de obtener rendimientos uniformes y altos a nivel de obleas, junto con la conexión avanzada de línea trasera (Back-End-of-Line) necesaria para las estructuras de puntos cuánticos de Si, que son esenciales para chips cuánticos a gran escala con millones o incluso miles de millones de qubits que trabajan en sincronía.

Existen diferentes tipos de qubits de espín en puntos cuánticos de Si que se investigan en imec. En este trabajo, los qubits de espín en puntos cuánticos se definieron mediante estructuras de puntos cuánticos de semiconductor de óxido metálico (MOS), que se asemejan a estructuras de transistores modificados y capturan un solo espín de un electrón o un hueco. Para lograr largos tiempos de coherencia cuántica, el ruido, y en particular el ruido de carga del punto cuántico, debe ser lo más bajo posible. Este ruido generalmente proviene de cargas residuales atrapadas cerca o incluso dentro del punto cuántico. Eliminar estas cargas residuales es clave para mejorar el rendimiento de los qubits de espín. Finalmente, esto está determinado por todo el proceso de fabricación de la estructura de qubits en puntos cuánticos, ya que todos los defectos que puedan aparecer deben minimizarse. Aunque esto puede lograrse mediante técnicas de laboratorio como procesos de "lift-off" muy suaves que reducen los daños en el proceso, las técnicas de fabricación industrial como la eliminación sustractiva y la estructuración basada en litografía han demostrado ser problemáticas, ya que pueden deteriorar fácilmente la calidad de los componentes y las interfaces, especialmente en la interfaz Si/SiO2 cerca de los qubits en puntos cuánticos. Por lo tanto, el ruido de carga en estructuras de puntos cuánticos basadas en Si/SiO2 fabricadas en instalaciones profesionales suele ser mayor que los valores logrados en laboratorio.

Mediante una optimización cuidadosa y un diseño técnico de las pilas de puertas MOS basadas en Si/SiO2 de 300 mm, imec logró un nivel récord de ruido de carga promedio de solo 0,6 µeV/√Hz (a 1 Hz) en obleas de 300 mm, caracterizado mediante métodos estadísticos. Kristiaan De Greve, Fellow de imec y director del programa de computadoras cuánticas en imec, afirmó: “Hemos detectado niveles de ruido de carga que, dependiendo de la fuente, son una mitad o una magnitud menor que los de las estructuras de puntos cuánticos en Si más modernas, y hemos logrado un funcionamiento notablemente uniforme de los puntos cuánticos. Nuestros resultados confirman que las plataformas de Si MOS de 300 mm son una base material convincente para los qubits de espín en puntos cuánticos, y subrayan la madurez de las técnicas de fabricación industrial para el desarrollo de qubits.”

Además, los métodos estadísticos utilizados para caracterizar los componentes con bajo ruido de carga proporcionaron conocimientos fundamentales sobre su origen. “Si conocemos la causa del ruido de carga, podemos seguir optimizando las estructuras de puntos cuánticos”, agregó De Greve. “Un entorno de qubit con bajo ruido y la uniformidad demostrada en la fabricación CMOS son solo el comienzo de una serie de desarrollos que permitirán la actualización de los chips cuánticos hacia una computación cuántica práctica, que según el conocimiento actual requerirá millones de qubits físicos.”

Los resultados mencionados anteriormente fueron publicados en el siguiente artículo: https://www.nature.com/articles/s41534-024-00864-3