Le prober sur wafer cryogénique détermine la qualité des composants qubit pour l'informatique quantique et la détection quantique

Le prober cryogénique sur wafer au Fraunhofer IAF permet de caractériser entièrement automatiquement jusqu'à 25 wafers entiers de 200 mm ou 300 mm avec des dispositifs pour l'informatique quantique. © Fraunhofer IAF / Le prober cryogénique sur wafer au Fraunhofer IAF permet des caractérisations entièrement automatiques de jusqu'à 25 wafers entiers de 200 mm ou 300 mm avec des dispositifs pour le calcul et la détection quantiques. © Fraunhofer IAF

Vue dans la chambre principale avec une galette de 200 mm au centre sur le plateau, qui est déplacée sous la carte de sondes. Le système teste une galette du projet « QUASAR », dans lequel des chercheurs développent des transistors à électron unique (SET) basés sur des puits quantiques en silicium, destinés à être utilisés comme dispositif pour les qubits de spin. © Fraunhofer IAF / Vue dans la chambre principale avec une galette de 200 mm au centre sur le plateau, qui est déplacée sous la carte de sondes. Le système teste une galette du projet « QUASAR », dans lequel des chercheurs développent des transistors à électron unique (SET) basés sur des puits quantiques en silicium, destinés à être utilisés comme dispositif pour les qubits de spin. © Fraunhofer IAF

1-K-Kryostat avec lignes conductrices pour mesures en courant continu et en haute fréquence. © Fraunhofer IAF / 1 cryostat K avec lignes conductrices pour mesures en courant continu et en haute fréquence. © Fraunhofer IAF

La première installation cryogénique en Allemagne pour la mesure statistique de la qualité des composants de qubits sur des wafers de 200 et 300 mm a été mise en service à l'Institut Fraunhofer IAF. Le prober sur wafer peut caractériser des composants basés sur des points quantiques semi-conducteurs et des têtes quantiques, ainsi que des supraconducteurs à des températures de mesure inférieures à 2 K. Grâce à son fonctionnement entièrement automatisé, les chercheurs peuvent constituer une base de données quantitativement pertinente et faire avancer la fabrication industrielle de composants de haute qualité pour l'informatique quantique et la détection quantique en Europe.

Avec le nouveau prober cryogénique sur wafer mis en service, des chercheurs de l'Institut Fraunhofer pour la physique des solides appliquée IAF souhaitent mieux comprendre le fonctionnement des composants quantiques, qui sont basés sur des points quantiques semi-conducteurs, des têtes quantiques et des supraconducteurs. L'appareil peut caractériser automatiquement des wafers de taille industrielle (200 mm et 300 mm) et de grands lots (jusqu'à 25 wafers consécutifs) à des températures extrêmement basses inférieures à 2 K (−271,15 °C).

Les quantités de données recueillies réduisent considérablement la dépendance aux rencontres fortuites, caractéristiques des mesures individuelles. De cette manière, l'augmentation des capacités de mesure à l'institut contribue à développer une fabrication fiable de qubits de haute qualité, qui peuvent être utilisés dans des ordinateurs quantiques et des capteurs quantiques.

Au moment de sa mise en service, cette installation est la cinquième dans le monde, la deuxième en Europe et la première en Allemagne de ce type. Le ministère fédéral de l'Éducation et de la Recherche (BMBF) a financé l'acquisition et la mise en service du prober sur wafer dans le cadre du projet « KryoproPlus – Mise à disposition et vérification d’un prober cryogénique sur wafer ».

Développer le savoir-faire pour la fabrication industrielle de qubits

« Grâce au prober sur wafer, nous acquérons de nouvelles compétences uniques en Allemagne dans la caractérisation cryogénique », souligne le Prof. Dr. Rüdiger Quay, coordinateur du projet « KryoproPlus » et directeur par intérim de l'Institut Fraunhofer IAF. « Avec lui, nous soutiendrons nos partenaires de la recherche et de l'industrie dans la mise en place d'une chaîne d'approvisionnement européenne pour les matériaux et les processus de fabrication des qubits solides. Ainsi, nous pouvons contribuer de manière significative à la souveraineté technologique de l'Allemagne et de l'Europe », prévoit Quay.

« Le prober sur wafer nous fournit pour la première fois des quantités de données statistiquement pertinentes, avec lesquelles nous pouvons optimiser et faire évoluer systématiquement la fabrication de composants de qubits », explique Nikola Komerički, qui supervise le projet « KryoproPlus » dans le cadre de sa thèse sur la caractérisation des composants pour l'informatique quantique. Komerički a coordonné l'installation et la mise en service de l'appareil et réalise déjà les premières mesures.

« Nous souhaitons mieux comprendre comment obtenir des qubits de bonne qualité et homogènes, afin de permettre la mise à l'échelle et la production industrielle de qubits en Allemagne et en Europe », ajoute Komerički. « Pour cela, il est nécessaire d'élargir la perspective qualitative à une perspective quantitative et statistique sur le comportement des composants. »

Meilleures données grâce à la mesure automatisée de wafers entiers de 200 mm et 300 mm à des températures inférieures à 2 K

Les qubits basés sur des points quantiques semi-conducteurs, des têtes quantiques et des supraconducteurs fonctionnent à des températures proches du zéro absolu (−273,15 °C), car cela minimise les perturbations de l'environnement, active la supraconductivité et permet la formation et l'intrication des qubits. Pour tester, optimiser et faire évoluer les qubits, il est donc essentiel de les caractériser à leur température de fonctionnement et d'enregistrer une quantité de données mesurées statistiquement exploitables.

Le prober cryogénique sur wafer comble cette lacune de caractérisation. La mesure automatisée de wafers entiers de 200 mm et 300 mm à des températures inférieures à 2 K avec un temps de changement réduit augmente considérablement la quantité de données disponibles. Ces données offrent aux chercheurs et aux ingénieurs la base nécessaire pour effectuer des améliorations ciblées des composants de formation des qubits et augmenter leur évolutivité.

Caractérisation des composants de qubits dans les projets « MATQu », « QUASAR » et « QLSI »

Grâce à la mise en service complète du prober sur wafer, le projet « KryoproPlus » est terminé. La première utilisation de l'appareil a eu lieu dans le cadre des projets « MATQu – Matériaux pour l'informatique quantique », « QUASAR – Processeur quantique à semi-conducteurs avec architecture évolutive basée sur le shuttling » et « QLSI – Intégration quantique à grande échelle avec le silicium ».

Pour « MATQu », Komerički caractérise et analyse les contacts Josephson (Niobium), qui constituent des composants pour les qubits Transmon. Pour « QUASAR » et « QLSI », les caractérisations portent sur des transistors à effet de champ (FET) pour des transistors à électron unique (SET) basés sur des points quantiques en silicium, puis sur des SET utilisés comme composants pour les qubits de spin.