Imec eléri a legalacsonyabb töltéshanggörbét Si-MOS kvantumpontok esetében, amelyeket egy 300 mm-es CMOS platformon gyártottak

Si spin qubits, gyártva a legkorszerűbb 300 mm-es integrációs folyamatokkal.

Az imec, egy világszerte vezető kutatási és innovációs központ a nanoelektronika és digitális technológiák terén, ma bejelentette egy kiváló minőségű, 300 mm-es Si-alapú kvantumpont-spin-qubit feldolgozás sikeres demonstrációját, amely olyan eszközöket tartalmaz, amelyek statisztikailag releváns, átlagos töltéshangzást eredményeznek 0,6 µeV/√Hz értéken 1 Hz-en. A zajviselkedés tekintetében elért értékek a legkisebb töltéshangzási értékek, amelyeket eddig elértek egy gyártás-kompatibilis 300 mm-es platformon. Az ilyen alacsony zajszintek lehetővé teszik a magas precizitású qubit-vezérlést, mivel a zaj csökkentése kulcsfontosságú a kvantumkoherencia fenntartásához és a rendkívül pontos irányításhoz. Az ezen értékek ismételt és reprodukálható demonstrációja egy 300 mm-es Si-MOS kvantumpont folyamatban ezt a munkát lehetővé teszi, hogy a kvantumszámítógépek nagyszabásúvá váljanak szilícium kvantumpontokon alapulva.

A Si-kvantumpont-spin-qubitok két fő okból ígéretes építőkövek a nagyszabású kvantumszámítógépek megvalósításához. Először is, a Si-spin-qubitokat hosszú kvantum-koherenciaidőkkel (egy mérőszám, amely tükrözi képességüket, hogy kvantuminformációkat hosszú ideig tároljanak) és magas precizitású kvantum-gate műveletekkel többszörösen demonstrálták laboratóriumi környezetben, így megalapozott és tesztelt technológiának számítanak, nagyon reális kilátásokkal. Másodszor, és talán még fontosabb a hosszú távú megtérülés szempontjából, az alapul szolgáló technológia kompatibilis a CMOS gyártástechnológiákkal, szorosan kapcsolódik hozzájuk, így lehetőséget ad a szilícium kvantumpont-struktúrák szilárd lapka szintű, egyenletes és magas hozamú gyártására, valamint a fejlett Back-End-of-Line összeköttetésekre, amelyek szükségesek a valóban nagyméretű kvantumchipekhez, több millió vagy akár milliárd kvantumbittel, amelyek szinkronban működnek.

Számos különböző típusú Si-kvantumpont-spin-qubitot kutatnak az imec-nél. Ebben a munkában a kvantumpont-spin-qubitokat fém-oxid- félvezető (MOS) struktúrák határolják, amelyek módosított tranzisztorstruktúrákra hasonlítanak, és egy elektron vagy egy lyuk egyedi spinjét fogják be. A hosszú kvantum-koherenciaidő eléréséhez a zajnak, különösen a töltéshangzási zajnak, a lehető legkisebbnek kell lennie. Ez a zaj általában a maradék töltések miatt keletkezik, amelyek a közelben vagy akár a kvantumponton belül vannak. Ezeknek a maradék töltéseknek a megszüntetése kulcsfontosságú a spin-qubit teljesítményének növelésében. Végső soron ez a teljes kvantumpont-qubit struktúra gyártási folyamatától függ, mivel minden ott lévő hiba minimalizálni kell. Ez laboratóriumi technikákkal, például nagyon kíméletes „Lift-off” eljárásokkal érhető el, amelyek csökkentik a folyamatkárokat, azonban az ipari gyártási technikák, mint például a szubtraktív eltávolítás és a litográfián alapuló struktúrálás problémásnak bizonyultak, mivel könnyen rontják az eszközök és felületi határfelületek minőségét, különösen a Si/SiO2 határfelületen a kvantumpont-qubitok közelében. Ezért a Si/SiO2 alapú kvantumpont-struktúrák töltéshangzási értékei, amelyeket professzionális gyártóberendezéseken állítanak elő, általában magasabbak, mint a laboratóriumi körülmények között elért értékek.

A 300 mm-es Si/SiO2 alapú MOS-gate stackek gondos optimalizálásával és műszaki kialakításával az imec rekordmagas, mindössze 0,6 µeV/√Hz átlagos töltéshangzási szintet ért el 300 mm-es lapkákon, amelyet statisztikai módszerekkel jellemeztek. Kristiaan De Greve, az imec munkatársa és kvantumszámítógépekért felelős programigazgató így nyilatkozott: „Bizonyítottuk, hogy a töltéshangzási szintek a forrástól függően akár fél- vagy egész nagyságrenddel alacsonyabbak lehetnek, mint a jelenleg legmodernebb gyártott Si-kvantumpont-struktúrák esetében, és figyelemre méltóan egységes működést értünk el a kvantumpontoknál. Eredményeink megerősítik, hogy a 300 mm-es Si-MOS egy meggyőző anyagplatform a kvantumpont-spin-qubitok számára, és hangsúlyozzák az ipari gyártástechnológiák érettségét a qubit-fejlesztés terén.”

Ezen felül a kis töltéshangzási értékek jellemzésére használt statisztikai elemzési módszerek alapvető betekintést nyújtottak azok eredetéről. „Ha ismerjük a töltéshangzási zaj okát, tovább optimalizálhatjuk a kvantumpont-struktúrákat” – tette hozzá De Greve. „A zajmentes qubit-környezet és a CMOS gyártástechnológiák bizonyított egységessége csak a kezdet egy sor olyan fejlesztésnek, amelyek lehetővé teszik a technológia további fejlesztését a kvantumchipek gyakorlati kvantumszámítógéppé való átalakításában, amely a jelenlegi ismereteink szerint millió fizikai qubitet fog igényelni.”

A fent említett eredményeket az alábbi cikkben publikálták: https://www.nature.com/articles/s41534-024-00864-3