EU-project bundelt kraften op weg naar het tijdperk van schaalbare quantumprocessors

De cryogene on-wafer-prober bij Fraunhofer IAF karakteriseert volledig automatisch tot 25 volledige 200-mm of 300-mm wafers met componenten voor kwantumcomputers. © Fraunhofer IAF / De cryogene on-wafer-prober bij Fraunhofer IAF maakt volledig automatische karakterisaties mogelijk van tot wel 25 volledige 200-mm of 300-mm wafers met apparaten voor kwantumcomputing en sensing. © Fraunhofer IAF

Opstelling voor RF-kenmerken onder cryogene omstandigheden. © Fraunhofer IPMS / Setup voor RF-kenmerken onder cryogene omstandigheden. © Fraunhofer IPMS

Het ARCTIC-consortium. © imec / Het ARCTIC-consortium. © imec

© imec

Om een kwantumcomputer bruikbaar te maken, is de ontwikkeling van de besturing voor schaalbare systemen essentieel, maar bevindt zich nog in de kinderschoenen. Het project »ARCTIC« brengt 36 internationale partners uit industrie, wetenschap en vooraanstaande onderzoeksinstellingen samen om een volledige en uitgebreide Europese toeleveringsketen op te bouwen voor een schaalbare, betrouwbare en innovatieve besturingsinfrastructuur voor cryogene kwantumprocessors. De Duitse instituten Fraunhofer IPMS en Fraunhofer IAF brengen daarbij hun uitgebreide expertise in de karakterisering van elektronische componenten in.

Momenteel worden kwantumcomputers beschouwd als de meest veelbelovende kandidaten voor de efficiënte oplossing van problemen die voor klassieke computers volledig onbereikbaar zijn. Ze vereisen echter een enorme inspanning op het gebied van besturing en interfaces om te functioneren. Bij kwantumcomputers gebaseerd op qubits, die in een cryostaat nabij het absolute nulpunt worden bedreven, is het aantal mogelijke signaallijnen dat door de besturingsapparaten naar de cryostaten kan worden geleid, echter beperkt. Dit komt door de beperkte ruimte, de warmte die door de draden wordt getransporteerd en de door de benodigde signaalintegriteit beperkte lengte van de bestaande draden.

»De prestatie-eisen aan elektronische apparaten en schakelingen bij cryogene temperaturen zijn heel anders dan bij kamertemperatuur. Vooral bij zeer gevoelige toepassingen zoals kwantumprocessors moeten alle aspecten van de micro-elektronische technologieën worden geoptimaliseerd«, zegt Alexander Grill, wetenschappelijk leider van »ARCTIC« (»Advanced Cryogenic Technologies for Innovative Computing«) bij het Belgische onderzoekscentrum imec. De verwachte projectresultaten worden gezien als een belangrijke stap voorwaarts voor sterk gevraagde technologieën die bestaande problemen kunnen oplossen op gebieden zoals computerondersteunde chemie, de biowetenschappen en de cryptografie die nodig is voor privacybescherming en cyberbeveiliging.

Om de huidige obstakels te overwinnen, brengt »ARCTIC« 36 partners samen om een volledige en uitgebreide Europese toeleveringsketen voor cryogene fotonica, micro-elektronica en cryo-microsystemen op te zetten rondom de opkomende kwantumcomputing-industrie en verschillende cryogestuurde ICT-toepassingen.

De Fraunhofer-Gesellschaft is met haar instituten voor Fotonica-Microsystemen IPMS en Toegepaste Vastestoffysica IAF betrokken bij ARCTIC. De focus van hun werk in het project ligt op de karakterisering van componenten in cryogene omgevingen en op wafers op industriële schaal voor cryogene kwantumcomputerprocessors, evenals op de analyse van het elektrische gedrag van transistors en geheugencomponenten bij onconventioneel lage temperaturen.

Fraunhofer IAF karakteriseert perifere componenten voor cryogene kwantumprocessors

De karakterisering van elektronische componenten is even belangrijk als tijdrovend, vooral wanneer het gaat om cryogene metingen en karakterisering met lange koelings- en opwarmtijden. Het Fraunhofer IAF speelt een essentiële rol in »ARCTIC«, doordat het de karakterisering van perifere componenten voor cryogene kwantumprocessors op wafers op industriële schaal mogelijk maakt met een geautomatiseerde cryogene full-wafer-prober. Naast uitgebreide kennis over karakteriseringsmethoden voor halfgeleidercomponenten voor R&D-doeleinden tot en met industriële tests van 200 mm en 300 mm wafers, is het Fraunhofer IAF een van de weinige Europese aanbieders van een dergelijk laagtemperatuur-testopbouw onder 2 K. Deze diepgaande kennis over de karakterisering van cryogene componenten en de statistische variabiliteit van kerntechnologieën zal een essentieel onderdeel vormen van »ARCTIC« en bijdragen aan het versnellen van de industriële test van cryogene technologieën die nodig zijn voor de schaalvergroting van kwantumcomputers.

Het project bij het Fraunhofer IAF wordt gefinancierd binnen het kader van het Horizon Europe-programma van de EU en mede door het Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF).

Fraunhofer IPMS brengt haar expertise in de karakterisering van commerciële halfgeleidercomponenten in

Het Center Nanoelectronic Technologies (CNT) van het Fraunhofer IPMS houdt zich bezig met de karakterisering en modellering van bipolaire en CMOS-transistors en geheugencomponenten bij cryogene temperaturen. De focus ligt op hoogfrequentie-, ruis- en defectkarakterisering en modellering van commerciële transistors binnen de 22FDX FDSOI-technologie, evenals op de ontwikkeling van geoptimaliseerde niet-vluchtige ferro-elektrische geheugen. Het is hierbij cruciaal om de karakteriseringsmethoden in cryogene omgevingen en op volledige wafers te verbeteren en een diepgaand begrip te ontwikkelen van het gedrag van veld-effecttransistors en geheugencomponenten bij onconventioneel lage temperaturen. »We willen nieuwe inzichten krijgen over de energetische positie en het aantal elektrische defecten in de transistors. Dit stelt de industrie in staat om nieuwe cryo-producten aan te bieden, en Fraunhofer kan hiervoor unieke karakteriseringsmethoden bieden. Het verminderen van defect-geïnduceerd ruis in elektronica is een belangrijke factor voor het verhogen van de coherentie tijd van qubit-toestanden, waardoor de ontwikkelde methoden direct relevant zijn voor cryogeen kwantumcomputing.«, legt Dr. Maik Simon uit, onderzoeker in de groep Quantum Technologies bij CNT in Dresden.

Een andere kerncompetentie van het Fraunhofer IPMS is het onderzoeken van de toepasbaarheid van niet-vluchtige ferro-elektrische geheugen voor een cryogene omgeving door middel van elektrische karakterisering en fysische modellering. Deze baanbrekende studie zal laten zien hoe de componenten functioneren bij lage temperaturen en welke parameters kunnen worden aangepast om de schakelingseigenschappen, de integratiedichtheid en de betrouwbaarheid te verbeteren.

Het project bij het Fraunhofer IPMS wordt mede gefinancierd door het Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) en het Sächsisches Staatsministerium für Wirtschaft, Arbeit und Verkehr (SMWA).

Over het project »ARCTIC«

»ARCTIC« brengt technologieleveranciers, technologie-integrators, modelleringsexperts, ontwerpers, systeem- en toepassingsactoren en eindgebruikers samen om een soepele interface tussen de verschillende niveaus te waarborgen. Tegelijkertijd richt een groot deel van de inspanningen zich op ontbrekende verbindingen - onder andere op het gebied van cryo-modellering en standaardisering. Daarnaast wordt een uniek ecosysteem voor R&D in Europa opgebouwd, waarin verschillende onderzoeks- en technologieorganisaties samenwerken en de brug vormen tussen academische innovatiemodellen en industriële toepassing - dit laatste zowel bij KMU’s als grote industriële bedrijven.