Az EU-projekt egyesíti az erőket az aranyért a skálázható kvantumprocesszorok korszakában

A Fraunhofer IAF-nál található kriogén on-wafer-prober teljesen automatikusan jellemzi akár 25 darab 200 mm-es vagy 300 mm-es szilíciumlapot kvantumszámítógépekhez és érzékelőkhöz tartozó eszközökkel. © Fraunhofer IAF / A Fraunhofer IAF-nál található kriogén on-wafer-prober lehetővé teszi akár 25 teljes 200 mm-es vagy 300 mm-es szilíciumlap automatikus jellemzését kvantumszámítógépekhez és érzékelőkhöz tartozó eszközökkel. © Fraunhofer IAF

Beállítás az RF-karakterizáláshoz kriogén körülmények között. © Fraunhofer IPMS / Beállítás az RF-karakterizáláshoz kriogén körülmények között. © Fraunhofer IPMS

Az ARCTIC-konszorcium. © imec / Az ARCTIC-konszorcium. © imec

© imec

Az kvantumszámítógépek hasznosításához elengedhetetlen a skálázható rendszerek vezérlésének fejlesztése, de ez még gyerekcipőben jár. Az „ARCTIC” projekt 36 nemzetközi partnert hoz össze az ipar, a tudomány és vezető kutatóintézetek köréből, hogy egy teljeskörű és átfogó európai ellátási láncot hozzon létre egy skálázható, megbízható és innovatív irányítási infrastruktúrához kriogén kvantumprocesszorok számára. A német intézetek, a Fraunhofer IPMS és a Fraunhofer IAF, szakértelmükkel járulnak hozzá az elektronikus komponensek jellemzéséhez. Az EU több mint 11 millió euróval finanszírozza a projektet három évre.

A kvantumszámítógépek jelenleg a legígéretesebb jelöltek a problémák hatékony megoldására, amelyek a klasszikus számítógépek számára teljesen elérhetetlenek. Ezek azonban hatalmas vezérlési és interfész igényekkel járnak a működéshez. A kvantumszámítógépek, amelyek kvbiteken alapulnak, és kriogén környezetben, közel az abszolút nulla fokhoz működnek, esetében a lehetséges jelvezetékek száma korlátozott. Ennek oka a hely szűkössége, a vezetékek által szállított hő, valamint a szükséges jel integritását biztosító vezetékek hosszának korlátai.

„A kriogén hőmérsékleteken működő elektronikus eszközök és áramkörök teljesítményigénye teljesen más, mint a szobahőmérsékleten. Különösen érzékeny alkalmazásoknál, mint a kvantumprocesszorok, minden mikroelektronikai technológia aspektusát optimalizálni kell” – mondja Alexander Grill, az „ARCTIC” („Fejlett kriogén technológiák innovatív számításhoz”) tudományos vezetője az imec belga kutatóközpontban. A várható eredmények fontos mérföldkőnek számítanak a magas keresletet élvező technológiák fejlesztésében, amelyek megoldást nyújthatnak olyan területeken, mint a számítógépes kémia, a biotudományok, valamint a személyes adatok védelméhez és a kiberbiztonsághoz szükséges kriptográfia.

Az eddigi akadályok leküzdése érdekében az „ARCTIC” 36 partnert hoz össze, hogy egy teljeskörű és átfogó európai ellátási láncot építsen kriogén fotonikára, mikroelektronikára és kriogén mikro-rendszerekre, az emelkedő kvantumszámítástechnikai iparág és különböző kriogén támogatású információs és kommunikációs technológiai alkalmazások köré.

A Fraunhofer Társaság az IPMS fotonikus mikro-rendszerek és az IAF alkalmazott szilárdtestfizikai intézeteivel vesz részt az „ARCTIC”-ben. A projektben végzett munka középpontjában a kriogén környezetben és teljes méretű ipari szintű kriogén kvantumprocesszor-gyártáshoz szükséges waferek elektronikus komponenseinek jellemzése, valamint a tranzisztorok és memóriaelemek elektromos viselkedésének elemzése extrém alacsony hőmérsékleteken áll.

A Fraunhofer IAF perifériás komponenseket jellemez kriogén kvantumprocesszorokhoz

Az elektronikus komponensek jellemzése ugyanolyan fontos, mint időigényes, különösen kriogén mérések és hosszú hűtési és melegítési ciklusokat igénylő jellemzések esetén. A Fraunhofer IAF kulcsszerepet játszik az „ARCTIC”-ben, lehetővé téve a kriogén kvantumprocesszorok perifériás komponenseinek jellemzését ipari méretű wafereken automatizált kriogén teljes wafer-ellenőrző berendezés segítségével. A félvezető komponensek jellemzésének széles körű ismerete, a 200 mm és 300 mm-es waferek ipari tesztelése mellett, a Fraunhofer IAF az egyik kevés európai szolgáltató, amely ilyen alacsony hőmérsékletű, 2 K alatti tesztberendezéssel rendelkezik. Ez a mélyreható tudás a kriogén komponensek jellemzéséről és a kulcsfontosságú technológiák variabilitásának statisztikai elemzése alapvető része lesz az „ARCTIC”-nek, és hozzájárul a kriogén technológiák ipari tesztelésének felgyorsításához, amelyek szükségesek a kvantumszámítógépek skálázásához.

A Fraunhofer IAF projektje az EU Horizon Europe programja keretében támogatott, és a Szövetségi Oktatási és Kutatási Minisztérium (BMBF) társfinanszírozásával valósul meg.

A Fraunhofer IPMS szakértelmet nyújt a kereskedelmi félvezető komponensek jellemzésében

A Fraunhofer IPMS Nanoelektronikai Technológiák Központja (CNT) a kriogén hőmérsékleteken működő bipoláris és CMOS tranzisztorok, valamint tárolóelemek jellemzésével és modellezésével foglalkozik. A hangsúly a magas frekvenciás, zaj- és hibajellemzésen, valamint a kereskedelmi tranzisztorok modellezésén van a 22FDX FDSOI technológia keretében, továbbá az optimalizált nem-felejtő ferroelektromos tárolók fejlesztésén. Ehhez elengedhetetlen a kriogén környezetben és egész wafereken végzett jellemzési módszerek fejlesztése, valamint az, hogy mélyebb megértést szerezzenek arról, hogyan viselkednek a térfogat-effektus tranzisztorok és tárolóelemek extrém alacsony hőmérsékleten. „Új ismereteket akarunk szerezni a tranzisztorokban lévő elektromos hibák energetikai helyzetéről és számáról. Ez lehetővé teszi az ipar számára, hogy új kriogén termékeket kínáljon, és a Fraunhofer egyedi jellemzési módszereket kínálhat ehhez. A hibát okozó zaj csökkentése az elektronikában kulcsfontosságú a kvantumbit állapotok kohéziós idejének növelésében, ezért az általunk kifejlesztett módszerek közvetlenül relevánsak a kriogén kvantumszámítógépes megközelítésekhez. A nem-felejtő tárolóknál szintén fontos a tárolóelemek energiafogyasztásának minimalizálása, mivel a hűtőteljesítmény kriogén környezetben nagyon korlátozott” – magyarázza Dr. Maik Simon, a CNT Quantum Technologies csoportjának kutatója Dresdenben.

Egy másik kompetencia terület a nem-felejtő ferroelektromos tárolók kriogén környezetben való alkalmazhatóságának vizsgálata elektromos jellemzéssel és fizikai modellezéssel. Ez az áttörést jelentő tanulmány megmutatja, hogyan működnek az eszközök alacsony hőmérsékleten, és mely paraméterek módosításával lehet javítani a kapcsolási tulajdonságokat, az integrációs sűrűséget és a megbízhatóságot.

A Fraunhofer IPMS projektje a Szövetségi Oktatási és Kutatási Minisztérium (BMBF) és a Szász Állami Gazdasági, Munkaügyi és Közlekedési Minisztérium (SMWA) társfinanszírozásával valósul meg.

Az „ARCTIC” projektről

Az „ARCTIC” összeköti a technológiafejlesztőket, technológiai integrátorokat, modellezőket, tervezőket, rendszer- vagy alkalmazás-aktőröket és végfelhasználókat, hogy biztosítsa a zökkenőmentes kapcsolatot a különböző szintek között. Emellett nagy hangsúlyt fektet a hiányzó összeköttetések megszüntetésére – többek között a kriogén modellezés és szabványosítás területén. Ezenkívül egy egyedülálló kutatás-fejlesztési ökoszisztéma épül Európában, ahol különböző kutatási és technológiai szervezetek működnek együtt, és hidat képeznek az akadémiai innovációs modellek és az ipari hasznosítás között – mindezt kis- és nagyvállalatok egyaránt.