Imec osiąga najniższy poziom szumu ładunkowego dla punktów kwantowych Si-MOS, wyprodukowanych na platformie CMOS o rozmiarze 300 mm

Si spin qubits, wyprodukowane przy użyciu najnowocześniejszych procesów integracji na 300 mm. / Si spin qubits manufactured with state-of-the-art 300mm integration flows.

Imec, globalny wiodący ośrodek badawczo-innowacyjny w dziedzinie nanoelektroniki i technologii cyfrowych, ogłosił dziś pomyślną demonstrację wysokiej jakości 300-mmowej, opartej na krzemie, przetwarzania kwantowych bitów spinowych z elementami, które prowadzą do statystycznie istotnego średniego szumu ładunku wynoszącego 0,6 µeV/√Hz przy 1 Hz. W odniesieniu do zachowania szumu, uzyskane wartości są najniższymi poziomami szumu ładunku, jakie dotąd osiągnięto na platformie kompatybilnej z fabryką 300 mm. Tak niskie poziomy szumu umożliwiają bardzo precyzyjną kontrolę qubitów, ponieważ redukcja szumu jest kluczowa dla utrzymania koherencji kwantowej i precyzyjnego sterowania. Poprzez powtarzalną i reprodukowalną demonstrację tych wartości na procesie kwantowych punktów krzemowych MOS o rozmiarze 300 mm, ta praca czyni dużą skalę komputerów kwantowych opartych na kwantowych punktach krzemowych bardziej realną możliwością.

i-Quantum-dot spin qubits są obiecującymi elementami z dwóch głównych powodów do realizacji dużej skali komputerów kwantowych. Po pierwsze, kwantowe bity spinowe krzemu z długimi czasami koherencji kwantowej (metryka odzwierciedlająca zdolność przechowywania informacji kwantowej przez długi czas) oraz wysoką precyzją operacji kwantowych wielokrotnie demonstrowano w warunkach laboratoryjnych, co czyni je ugruntowaną i przetestowaną technologią z bardzo realistycznymi perspektywami. Po drugie, a być może jeszcze ważniejsze dla długoterminowej opłacalności, technologia ta jest kompatybilna z technologiami produkcji CMOS i ściśle z nimi powiązana, oferując możliwość uzyskania wysokiej i jednolitej wydajności na poziomie wafla, z koniecznym zaawansowanym połączeniem Back-End-of-Line struktur kwantowych punktów krzemowych, które są niezbędne do tworzenia naprawdę dużych kwantowych chipów z milionami lub nawet miliardami kwantowych bitów pracujących synchronicznie.

Istnieje kilka rodzajów kwantowych punktów krzemowych spin qubits, które są badane w imec. W tej pracy kwantowe punkty spinowe zostały zdefiniowane za pomocą struktur kwantowych punktów półprzewodnikowych metal-oxid-krzem (MOS), przypominających zmodyfikowane struktury tranzystorów, które chwytają pojedynczy spin elektronu lub dziury. Aby osiągnąć długie czasy koherencji kwantowej, szum, a zwłaszcza szum ładunku kwantowego, powinien być możliwie jak najniższy. Szum ten powstaje zazwyczaj przez resztkowe ładunki, które są zamknięte w pobliżu lub nawet wewnątrz kwantowego punktu. Eliminacja tych resztkowych ładunków jest kluczem do zwiększenia wydajności spin qubitów. Ostatecznie, jest to determinowane przez cały proces produkcji struktury kwantowego punktu, ponieważ wszystkie defekty muszą być zminimalizowane. Można to osiągnąć za pomocą technik laboratoryjnych, takich jak bardzo delikatne metody „lift-off”, które redukują uszkodzenia procesu, jednak techniki produkcyjne przemysłowe, takie jak usuwanie subtrakcyjne i litografię, okazały się problematyczne, ponieważ łatwo prowadzą do pogorszenia jakości elementów i interfejsów, szczególnie na styku Si/SiO2 w pobliżu kwantowych punktów. Dlatego szum ładunku w strukturach kwantowych opartych na Si/SiO2, produkowanych w profesjonalnych zakładach, jest zazwyczaj wyższy niż wartości uzyskiwane w laboratorium.

Poprzez staranną optymalizację i techniczne projektowanie 300-mmowego MOS-Stacku na bazie Si/SiO2, imec osiągnął rekordowy średni poziom szumu ładunku wynoszący tylko 0,6 µeV/√Hz (przy 1 Hz), charakteryzowany metodami statystycznymi na waflach o rozmiarze 300 mm. Kristiaan De Greve, Fellow imec i dyrektor programu ds. komputerów kwantowych w imec, stwierdził: „Zaobserwowaliśmy poziomy szumu ładunku, które są od jednej do półtorej rzędu wielkości niższe od tych w najnowocześniejszych strukturach kwantowych punktów krzemowych opartych na fabrykach, i osiągnęliśmy niezwykle jednolitą pracę kwantowych punktów. Nasze wyniki potwierdzają, że 300-mmowe Si-MOS to przekonująca platforma materiałowa dla kwantowych spin qubits i podkreślają dojrzałość technik przemysłowej produkcji dla rozwoju qubitów.”

Ponadto, metody analizy statystycznej stosowane do charakteryzacji elementów o niskim szumie ładunku dostarczyły podstawowych informacji na temat ich pochodzenia. „Jeśli znamy przyczynę szumu ładunku, możemy dalej optymalizować struktury kwantowych punktów,” dodaje De Greve. „Niska szumowa otoczenie qubitów i wykazana jednorodność produkcji CMOS to dopiero początek szeregu rozwoju, które umożliwią technologię rozbudowy kwantowych chipów do praktycznego obliczania kwantowego, które według obecnej wiedzy będzie wymagało milionów fizycznych qubitów.”

Powyższe wyniki zostały opublikowane w następującym artykule: https://www.nature.com/articles/s41534-024-00864-3