Halfgeleidergebaseerde kwantumpilootlijn "SPINS" gestart met steun van de EU

Het Fraunhofer IPMS speelt binnen SPINS een sleutelrol in de hoogresolutie-structurering van de Qubit- en processoronderdelen. © Fraunhofer IPMS

In april is 'SPINS' (Semiconductor Pilot line for Industrial Quantum NanoSystems) gestart, een van de zes Europese quantum-pilotlinieën. Het door imec gecoördineerde consortium brengt 25 Europese onderzoeksinstellingen, industriële partners en academische onderzoeksgroepen samen om de leidende rol en soevereiniteit van Europa op dit strategisch belangrijke gebied te versterken. Het met 50 miljoen euro uitgeruste SPINS-pilotlinieproject werd mogelijk gemaakt door de cofinanciering van de Chips Joint Undertaking (Chips JU) van de Europese Unie en de nationale en regionale autoriteiten van de deelnemende lidstaten.

Quantumcomputing is uitgegroeid tot een hoogstrategisch gebied, waarvan de economische en maatschappelijke relevantie sterk toeneemt. De toepassingsgebieden variëren van doorbraken in geneesmiddelenonderzoek en materiaalkunde tot hoogbeveiligde communicatiesystemen en navigatiesystemen van de volgende generatie. Toch bestaat er nog steeds een kloof tussen het huidige quantumonderzoek en de produceerbare quantumprocessors die belangrijke quantumtoepassingen mogelijk maken. Het opschalen van het aantal stabiele qubits (tot wel een miljard) is de sleutel tot het bouwen van betrouwbare en fouttolerante quantumcomputers.

Gezien de technologische complexiteit, inclusief cryogeen bedrijf, ultranauwkeurige besturings-elektronica en hooggespecialiseerde fabricageprocessen, en de strategische betekenis van quantumchips, heeft de EU-Chips Act zes complementaire quantum-pilotlinieën opgezet, die elk zich richten op een bepaald hardwareplatform en gezamenlijk de quantumtechnologieën in de gebieden quantumcomputing, communicatie en sensoriek bevorderen. Binnen dit portfolio is SPINS de pilotlinie die zich richt op halfgeleider-gebaseerde spin-qubits, met de nadruk op het leveren van quantumchips voor toepassingen op het gebied van quantumcomputing.

Imec coördineert de activiteiten van deze nieuwe pilotlinie en leidt het Europese consortium van 25 partners, waaronder onderzoeksinstellingen zoals Fraunhofer, VTT en CEA-Leti, industrie (zowel grote ondernemingen zoals Infineon en Siltronic als KMO's en start-ups) tot academische groepen (zoals de TU Delft en de Universiteit Jyväskylä), die aanvullende kennis en vaardigheden inbrengen, met als doel het strategische kader van de EU-Chipwet om te zetten in concrete acties.

Tot de eerste maatregelen van het SPINS-consortium behoren proces- en ontwerpoptimalisaties om een solide basis te creëren voor schaalbare, stabiele en krachtige spin-qubits, en dat op drie verschillende technologieplatformen: Si/SiGe, Ge/GeSi en SOI. SPINS streeft ernaar via Multi-Project Wafers (MPW) en gestandaardiseerde Quantum Process Design Kits (PDKs) een weg van laboratorium naar productie voor deze technologie te realiseren, waardoor de toetredingsdrempels voor start-ups en KMO's in de halfgeleider-quantumtechnologie worden verlaagd en de basis wordt gelegd voor Europese bedrijven om vroegtijdig quantum-kennis op te bouwen.

Het Fraunhofer IPMS binnen SPINS

Het Fraunhofer IPMS speelt binnen SPINS een sleutelrol bij de hoogresolutie-structurering van de qubit- en processorelementen. Alle lithografische stappen die een resolutie vereisen die verder gaat dan de mogelijkheden van optische methoden, worden uitgevoerd bij het Fraunhofer IPMS. Hierdoor kan het instituut een nauwkeurige, reproduceerbare structuur bieden die essentieel is voor de functionaliteit en schaalbaarheid van Si/SiGe-gebaseerde quantumcircuits.

Bovendien draagt het Fraunhofer IPMS aanzienlijk bij aan de processtabiliteit en -volwassenheid van de gehele pilotlinie door het bieden van een hoogwaardige cleanroom-infrastructuur die is ontworpen voor reproduceerbare, schaalbare productie van qubits. De bij het Fraunhofer IPMS toegepaste processen zijn zodanig ontworpen dat ze zowel Si/SiGe- als Ge/SiGe-platformen ondersteunen en daarmee meerdere technologisch complementaire paden binnen het SPINS-consortium veiligstellen. Daarnaast vormt de expertise van het Fraunhofer IPMS een brug naar activiteiten in het kader van het EU-project QLSI2, waarin de migratie naar hoogresolutielithografie en 300-mm-wafers wordt getest. Hierdoor wordt de latere overdracht van de resultaten van de SPINS-pilotlinie naar een toekomstige 300-mm-CMOS-lijn vroegtijdig voorbereid.

Het Fraunhofer IPMS combineert daarmee toonaangevende onderzoekscompetentie met industriële procesvolwassenheid en versterkt zo de technologische onafhankelijkheid van Europa op het gebied van halfgeleider-quantumtechnologie.

Quantum-pilotlinieën voor Europa

Aanvullende gebieden van de Europese quantum-inspanningen omvatten naast de halfgeleidergebaseerde pilotlinie ook pilotlinieën voor fotonica voor het quantumproject 'P4Q' (gecoördineerd door de Universiteit Twente, NL) – waaraan ook imec bijdraagt –, ionenval-qubits 'CHAMP-ION' (gecoördineerd door SAL, AT), supraleitende qubits 'SUPREME' (gecoördineerd door VTT, FI), diamanten-quantumchips 'DIREQT' (gecoördineerd door CNR, IT) en neutrale atomen 'Q PLANET' (gecoördineerd door Pasqal, FR).