Kriogén On-Wafer-Prober határozza meg a kvantumszámítógépek és kvantumszenzorok kvantumbájelemek minőségét

A Fraunhofer IAF-nál található kriogén On-Wafer-Prober teljesen automatikusan jellemzi akár 25 darab 200 mm-es vagy 300 mm-es lapkát kvantumszámítógépekhez és érzékelőkhöz tartozó eszközökkel. © Fraunhofer IAF / A Fraunhofer IAF-nál található kriogén on-wafer prober lehetővé teszi akár 25 egész, 200 mm-es vagy 300 mm-es lapka teljes körű automatikus jellemzését kvantumszámítógépekhez és érzékelőkhöz tartozó eszközökkel. © Fraunhofer IAF

Nézőpont a főkamrába egy középen elhelyezett 200 mm-es szilíciumlapkával a csücsökön, amelyet a tűkártya alatt mozgatnak. A rendszer egy QUASAR projektből származó szilíciumlapkát tesztel, amelyben a kutatók egyedi elektron tranzisztorokat (SET-eket) fejlesztenek szilícium kvantumágyak alapján, hogy spin-qubitek eszközeként használják őket. © Fraunhofer IAF / Kilátás a főkamrába egy 200 mm-es szilíciumlapkával a közepén, a csücsökön, amit a tűkártya alatt mozgatnak. A rendszer egy QUASAR projektből származó szilíciumlapkát tesztel, amelyben a kutatók egyedi elektron tranzisztorokat (SET-eket) fejlesztenek szilícium kvantumágyak alapján, hogy spin-qubitek eszközeként használják őket. © Fraunhofer IAF

1-K-Kryostat vezetékekkel egyenáram- és magasfrekvenciás méréshez. © Fraunhofer IAF / 1 K kriosztát vezetékekkel egyenáram- és magasfrekvenciás méréshez. © Fraunhofer IAF

Magyarország első kriogén létesítménye, amely statisztikus minőségmérést végez Qubit-építőelemekre teljes 200- és 300 mm-es szilárdtestlapokon, a Fraunhofer IAF-nál kezdte meg működését. A lapban történő mérőberendezés képes jellemzőket meghatározni félvezető kvantumpontok és kvantumcsövek, valamint szupervezetők esetében 2 K alatti mérési hőmérsékleten. A teljesen automatikus működés lehetővé teszi a kutatók számára, hogy kvantitatívan releváns adatbázist építsenek ki, és elősegítse a magas színvonalú elemek ipari gyártását a kvantumszámítástechnikában és kvantumszenzorikában Európában.

A frissen üzembe helyezett kriogén lapban történő mérőberendezéssel a Fraunhofer Alkalmazott Szilárdtestfizikai Intézet (IAF) kutatói jobban meg akarják érteni a félvezető kvantumpontokon, kvantumcsöveken és szupervezetőkön alapuló kvantum-építőelemek működését. A készülék automatikusan képes teljes 200 mm-es és 300 mm-es lapokat, magas darabszámokat (akár 25 lap egymás után) mérni 2 K alatti (–271,15 °C) mélyhőmérsékleten.

A szerzett adatmennyiség jelentősen csökkenti a véletlenszerű találkozásoktól való függést, amely jellemző az egyedi mérésekre. Ezáltal az intézet mérési kapacitásának növelése hozzájárul ahhoz, hogy megbízhatóan gyártsanak magas minőségű Qubit-okat, amelyek a kvantumszámítógépekben és kvantumszenzorokban kerülhetnek felhasználásra.

Az üzembe helyezés idején ez a létesítmény világszerte a ötödik, Európában a második és Németországban az első ilyen típusú. A Szövetségi Oktatási és Kutatási Minisztérium (BMBF) támogatta a lapmérő beszerzését és üzembe helyezését az „KryoproPlus – Kriogén lapmérő biztosítása és hitelesítése” projekt keretében.

Szaktudás építése az ipari Qubit-gyártáshoz

„Az On-Wafer-Prober révén országosan egyedülálló új képességeket szerzünk a kriogén jellemzés terén” – hangsúlyozza Prof. Dr. Rüdiger Quay, a „KryoproPlus” projektkoordinátora és az intézet ideiglenes igazgatója a Fraunhofer IAF-nál. „Ezzel támogatni fogjuk kutatási és ipari partnereinket az európai szilárdtest-Qubit anyagok és gyártási folyamatok ellátási láncának kiépítésében. Így fontos hozzájárulást nyújthatunk Németország és Európa technológiai szuverenitásához” – tekint előre Quay.

„A lapmérő elsőként biztosít számunkra statisztikailag releváns adatokat, amelyek segítségével rendszerszerűen optimalizálhatjuk és skálázhatjuk a Qubit-építőelemek gyártását” – magyarázza Nikola Komerički, aki a „KryoproPlus” projektet irányítja a kvantumcomputing-építőelemek jellemzésével kapcsolatos doktori munkája keretében. Komerički koordinálta a létesítmény telepítését és üzembe helyezését, és már első méréseket végez.

„Jobban meg szeretnénk érteni, hogyan érhetünk el jó, homogén Qubitokat, hogy lehetővé tegyük a skálázást és az ipari gyártást Németországban és Európában” – egészíti ki Komerički. „Ehhez szükséges, hogy a minőségi szemléletet kiterjesszük a kvantitatív, statisztikai perspektívára a készülékek viselkedésében.”

Jobb adatok automatizált mérés révén teljes 200 mm-es és 300 mm-es lapokon 2 K alatti hőmérsékleten

A félvezető kvantumpontokon, kvantumcsöveken és szupervezetőkön alapuló Qubit-ok működése közel az abszolút nulla fokhoz (–273,15 °C) közel áll, mivel ez minimalizálja a környezeti zavarokat, aktiválja a szupervezetést, és lehetővé teszi a Qubit-ok formálását és összefonódását. Ezért alapvető fontosságú, hogy a Qubit-okat működési hőmérsékletükön mérjük, és statisztikailag értékelhető mérési adatokat gyűjtsünk.

A kriogén lapmérő kitölti ezt a jellemzési hiányt. A teljes 200 mm-es és 300 mm-es lapok automatizált mérése 2 K alatti hőmérsékleten, rövid váltási idővel, jelentősen növeli az elérhető adatok mennyiségét. Ezzel a kutatók és mérnökök rendelkezésére áll az alap, hogy célzottan fejlesszék a Qubit-építőelemeket és növeljék azok skálázhatóságát.

Qubit-építőelemek jellemzése az „MATQu”, „QUASAR” és „QLSI” projektekben

A lapmérő teljes körű üzembe helyezésével lezárult a „KryoproPlus” projekt. Az első alkalmazások az „MATQu – Anyagok a kvantumszámítástechnikához”, „QUASAR – Félvezető kvantumprocesszor shuttling-alapú skálázható architektúrával” és „QLSI – Nagyszabású kvantumintegráció szilíciummal” projektek keretében történtek.

Az „MATQu” projektben Komerički (niobium-) Josephson-kapcsolatokat jellemzi és elemzi, amelyek a Transmon-Qubit-okat alkotó elemek. A „QUASAR” és „QLSI” projektekben pedig jellemzéseket végeznek szilícium- kvantumpontokon alapuló mezőhatásos tranzisztorokon (FET-ek) és ezeket követően az egyelektron-tranzisztorokon (SET-ek), amelyek spin-Qubit-okat alkotó elemekként szolgálnak.