Progetto UE riunisce le forze sulla strada verso l'era dei processori quantistici scalabili

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 sensoristica 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

Configurazione per la caratterizzazione RF in condizioni criogeniche. © Fraunhofer IPMS / Setup per la caratterizzazione RF in condizioni criogeniche. © Fraunhofer IPMS

Il consorzio ARCTIC. © imec / Il consorzio ARCTIC. © imec

© imec

Per rendere utilizzabile un computer quantistico, lo sviluppo del sistema di controllo scalabile è essenziale, ma è ancora in fase embrionale. Il progetto «ARCTIC» riunisce 36 partner internazionali provenienti dall'industria, dalla scienza e da istituzioni di ricerca leader, per creare una filiera europea completa e integrata per un'infrastruttura di controllo scalabile, affidabile e innovativa per i processori quantistici criogenici. Gli istituti tedeschi Fraunhofer IPMS e Fraunhofer IAF apportano la loro vasta competenza nella caratterizzazione di componenti elettronici. L'UE finanzia il progetto con oltre 11 milioni di euro per una durata di tre anni.

I computer quantistici sono attualmente considerati i candidati più promettenti per la soluzione efficiente di problemi che sono completamente irraggiungibili per i computer classici. Tuttavia, richiedono uno sforzo enorme in termini di controllo e interfacce per funzionare. Nei computer quantistici basati su qubit, operanti in un criostato vicino allo zero assoluto, il numero di possibili linee di segnale che possono essere condotte dai dispositivi di controllo ai criostati è limitato. Ciò è dovuto allo spazio ristretto, al calore trasportato dai fili e alla lunghezza limitata dei fili stessi, che deve garantire l'integrità del segnale.

«Le esigenze di prestazione dei dispositivi elettronici e dei circuiti a temperature criogeniche sono completamente diverse rispetto a quelle a temperatura ambiente. In applicazioni particolarmente sensibili come i processori quantistici, tutti gli aspetti delle tecnologie microelettroniche devono essere ottimizzati», afferma Alexander Grill, responsabile scientifico di «ARCTIC» («Tecnologie criogeniche avanzate per il calcolo innovativo») presso il centro di ricerca belga imec. I risultati attesi dal progetto sono considerati un passo importante per tecnologie molto richieste, che possono risolvere problemi esistenti in settori come la chimica computerizzata, le scienze della vita e la crittografia necessaria per la protezione dei dati e la cybersicurezza.

Per superare gli ostacoli attuali, «ARCTIC» riunisce 36 partner per creare una filiera europea completa e integrata per la fotonica criogenica, la microelettronica e i micro-sistemi criogenici, attorno all'industria emergente del calcolo quantistico e a varie applicazioni ICT supportate da tecnologie criogeniche.

La Gesellschaft Fraunhofer partecipa ad ARCTIC con i suoi istituti IPMS (Micro sistemi fotonici) e IAF (Fisica dello stato solido applicata). Il loro lavoro si concentra sulla caratterizzazione di componenti in ambienti criogenici e su wafer di dimensioni industriali per processori quantistici criogenici, nonché sull'analisi del comportamento elettrico di transistor e elementi di memoria a temperature insolitamente basse.

Fraunhofer IAF caratterizza componenti periferici per processori quantistici criogenici

La caratterizzazione dei componenti elettronici è tanto importante quanto impegnativa, specialmente quando si tratta di misurazioni criogeniche e di caratterizzazioni con lunghi tempi di raffreddamento e riscaldamento. Fraunhofer IAF svolge un ruolo fondamentale in «ARCTIC», consentendo la caratterizzazione di componenti periferici per processori quantistici criogenici su wafer di dimensioni industriali mediante un sistema automatizzato di test criogenici full-wafer. Oltre alla vasta esperienza nelle metodologie di caratterizzazione di dispositivi semiconduttori per scopi di R&S e test industriali di wafer da 200 mm e 300 mm, Fraunhofer IAF è uno dei pochi fornitori europei di un sistema di test a bassa temperatura sotto i 2 K. Questa conoscenza approfondita sulla caratterizzazione di componenti criogenici e sulla variabilità statistica delle tecnologie chiave sarà un elemento essenziale di «ARCTIC» e contribuirà ad accelerare la sperimentazione industriale di tecnologie criogeniche necessarie per la scalabilità dei computer quantistici.

Il progetto presso Fraunhofer IAF è finanziato nell'ambito del programma Horizon Europe dall'UE e cofinanziato dal Ministero federale dell'istruzione e della ricerca (BMBF).

Fraunhofer IPMS apporta le sue competenze nella caratterizzazione di componenti semiconduttori commerciali

Il Center Nanoelectronic Technologies (CNT) del Fraunhofer IPMS si occupa della caratterizzazione e modellizzazione di transistor bipolari e CMOS, nonché di elementi di memoria a temperature criogeniche. L'attenzione è rivolta alla caratterizzazione e modellizzazione ad alta frequenza, al rumore e ai difetti di transistor commerciali all’interno della tecnologia 22FDX FDSOI, oltre allo sviluppo di memorie ferroelettriche non volatili ottimizzate. È fondamentale migliorare le metodologie di caratterizzazione in ambienti criogenici e su wafer interi, sviluppando una comprensione approfondita del comportamento di transistor a effetto campo e di elementi di memoria a temperature insolitamente basse. «Vogliamo ottenere nuove conoscenze sulla posizione energetica e sul numero di difetti elettrici nei transistor. Questo permetterà all’industria di offrire nuovi prodotti criogenici, e Fraunhofer può fornire metodologie di caratterizzazione uniche. La riduzione del rumore indotto da difetti nell’elettronica è un fattore chiave per aumentare il tempo di coerenza degli stati di qubit, rendendo immediatamente rilevanti le metodologie sviluppate per approcci di calcolo quantistico criogenico. Per quanto riguarda le memorie non volatili, è inoltre importante minimizzare il consumo energetico degli elementi di memoria, poiché la potenza di raffreddamento nei criostati è molto limitata», spiega il dott. Maik Simon, ricercatore del gruppo Quantum Technologies presso CNT a Dresda.

Un altro punto di forza del Fraunhofer IPMS è l’indagine sull’applicabilità delle memorie ferroelettriche non volatili in ambienti criogenici tramite caratterizzazione elettrica e modellizzazione fisica. Questo studio rivoluzionario mostrerà come funzionano i componenti a basse temperature e quali parametri possono essere modificati per migliorare le caratteristiche di commutazione, la densità di integrazione e l’affidabilità.

Il progetto presso Fraunhofer IPMS è cofinanziato dal Ministero federale dell’istruzione e della ricerca (BMBF) e dal Ministero dell’economia, del lavoro e dei trasporti della Sassonia (SMWA).

Informazioni sul progetto «ARCTIC»

«ARCTIC» riunisce sviluppatori di tecnologie, integratori di tecnologie, modellatori, designer, attori di sistemi o applicazioni e utenti finali, per garantire un'interfaccia fluida tra i vari livelli. Un grande sforzo è dedicato anche alle connessioni mancanti, tra cui modellazione criogenica e standardizzazione. Inoltre, si sta creando un ecosistema di ricerca e sviluppo unico in Europa, in cui diverse organizzazioni di ricerca e tecnologia collaborano, colmando il divario tra modelli di innovazione accademici e sfruttamento industriale – quest’ultimo sia per le PMI che per le grandi aziende industriali.