Prober criogenico on-wafer determina la qualità dei componenti qubit per il calcolo quantistico e la sensoristica quantistica

Il prober on-wafer criogenico presso il Fraunhofer IAF effettua in modo completamente automatico la caratterizzazione di fino a 25 wafer interi da 200 mm o 300 mm con dispositivi per il calcolo e la rilevazione quantistica. © Fraunhofer IAF / The cryogenic on-wafer prober at Fraunhofer IAF enables fully automatic characterizations of up to 25 whole 200-mm or 300-mm wafers with devices for quantum computing and sensing. © Fraunhofer IAF

Sguardo nella camera principale con un wafer da 200 mm al centro sul chuck, che viene mosso sotto la scheda di prova. Il sistema sta testando un wafer del progetto »QUASAR«, in cui i ricercatori stanno sviluppando transistor a singolo elettrone (SET) basati su pozzi quantici di silicio da utilizzare come dispositivo per i qubit di spin. © Fraunhofer IAF / Vista nella camera principale con un wafer da 200 mm al centro sul chuck che viene spostato sotto la scheda di prova. Il sistema sta testando un wafer del progetto QUASAR, in cui i ricercatori stanno sviluppando transistor a singolo elettrone (SET) basati su pozzi quantici di silicio da utilizzare come dispositivo per i qubit di spin. © Fraunhofer IAF

1-K-cryostat con linee condotte per misure in corrente continua e ad alta frequenza. © Fraunhofer IAF / 1 K cryostat con linee condotte per misure in corrente continua e ad alta frequenza. © Fraunhofer IAF

La prima installazione criogenica in Germania per la misurazione statistica della qualità dei componenti di Qubit su wafer da 200 e 300 mm presso il Fraunhofer IAF ha iniziato il suo funzionamento. Il sonda on-wafer può caratterizzare componenti basati su punti quantici di semiconduttori e punti quantici di superconduttori a temperature di mesoscala inferiori a 2 K. Grazie al funzionamento completamente automatizzato, i ricercatori possono creare una base di dati quantitativamente rilevante e promuovere la produzione industriale di componenti di alta qualità per il calcolo quantistico e i sensori quantistici in Europa.

Con il nuovo sonda criogenica on-wafer messo in funzione, i ricercatori dell'Istituto Fraunhofer per la fisica dello stato solido applicato IAF vogliono comprendere meglio il funzionamento dei componenti quantistici basati su punti quantici di semiconduttori e punti quantici di superconduttori. Lo strumento può caratterizzare automaticamente wafer di dimensioni industriali (200 mm e 300 mm) e grandi quantità di pezzi (fino a 25 wafer consecutivi) a temperature estremamente basse inferiori a 2 K (−271,15 °C).

Le quantità di dati raccolti riducono significativamente la dipendenza da incontri casuali, tipici delle misurazioni singole. In questo modo, l'aumento delle capacità di misurazione dell'istituto contribuisce a sviluppare una produzione affidabile di qubit di alta qualità, che possono essere impiegati in computer quantistici e sensori quantistici.

Al momento dell'attivazione, l'impianto è il quinto al mondo, il secondo in Europa e il primo in Germania del suo genere. Il Ministero federale dell'istruzione e della ricerca (BMBF) ha finanziato l'acquisto e l'installazione del sonda in cornice al progetto «KryoproPlus – fornitura e verifica di un sonda criogenica on-wafer».

Costruire know-how per la produzione industriale di qubit

«Attraverso il sonda on-wafer, otteniamo nuove capacità uniche a livello nazionale nella caratterizzazione criogenica», sottolinea il Prof. Dr. Rüdiger Quay, coordinatore del progetto «KryoproPlus» e direttore ad interim dell'Istituto Fraunhofer IAF. «Con esso, supporteremo i nostri partner della ricerca e dell'industria nella creazione di una catena di approvvigionamento europea di materiali e processi produttivi per i qubit di stato solido. In questo modo, possiamo contribuire significativamente alla sovranità tecnologica di Germania ed Europa», guarda avanti Quay.

«Il sonda fornisce per la prima volta quantità di dati statisticamente rilevanti, con cui possiamo ottimizzare e scalare sistematicamente la produzione di componenti di Qubit», spiega Nikola Komerički, che supervisiona il progetto «KryoproPlus» nell'ambito della sua tesi sulla caratterizzazione di componenti di calcolo quantistico. Komerički ha coordinato l'installazione e l'avvio dell'impianto e sta già effettuando le prime misurazioni.

«Vogliamo capire meglio come ottenere buoni qubit omogenei, per consentire la scalabilità e la produzione industriale di qubit in Germania e in Europa», aggiunge Komerički. «Per farlo, è necessario ampliare la prospettiva dalla qualità a quella quantitativa e statistica sul comportamento dei componenti.»

Migliori dati grazie a misurazioni automatizzate di interi wafer da 200 e 300 mm a temperature inferiori a 2 K

I qubit basati su punti quantici di semiconduttori e punti quantici di superconduttori funzionano a temperature vicine allo zero assoluto (−273,15 °C), poiché minimizzano le interferenze dell'ambiente, attivano la superconduttività e consentono la formazione e l'entanglement dei qubit. Per la verifica, ottimizzazione e scalabilità dei qubit, è quindi fondamentale caratterizzarli il prima possibile alla loro temperatura di funzionamento e raccogliere un insieme di dati misurabili statisticamente.

Il sonda criogenica on-wafer colma questa lacuna di caratterizzazione. La misurazione automatizzata di interi wafer da 200 e 300 mm a temperature inferiori a 2 K, con tempi di cambio ridotti, aumenta di molte volte la quantità di dati disponibili. Con questi dati, ricercatori e ingegneri dispongono della base necessaria per migliorare miratamente i componenti di formazione dei qubit e aumentare la scalabilità.

Caratterizzazione di componenti di Qubit nei progetti »MATQu«, »QUASAR« e »QLSI«

Con l'attivazione completa del sonda, il progetto «KryoproPlus» si conclude. La prima applicazione dell'impianto si è verificata nell'ambito dei progetti «MATQu – Materiali per il calcolo quantistico», «QUASAR – Processore quantistico a semiconduttori con architettura scalabile basata su shuttle» e «QLSI – Integrazione quantistica su larga scala con il silicio».

Per «MATQu», Komerički caratterizza e analizza i contatti Josephson (Niobio), che costituiscono i componenti per i qubit Transmon. Per «QUASAR» e «QLSI», vengono effettuate caratterizzazioni di transistor a effetto campo (FET) per transistor a singolo elettrone (SET) basati su punti quantici di silicio e successivamente di SET, utilizzati come componenti per spin-qubit.