Kryogener On-Wafer-Prober określa jakość elementów Qubit do obliczeń kwantowych i sensorów kwantowych

Kriogeniczny probówka na wafle w Fraunhofer IAF umożliwia w pełni automatyczną charakterystykę do 25 całych wafli o rozmiarze 200 mm lub 300 mm z urządzeniami do komputerów kwantowych i czujników. © 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

Spojrzenie do głównej komory z 200-mm waflem w centrum na chucku, który jest poruszany pod kartą sondową. System testuje wafer z projektu „QUASAR”, w którym naukowcy opracowują tranzystory pojedynczej elektrony (SET) oparte na kwantowych studniach krzemowych, które mają służyć jako element dla spinowych kubitów. © Fraunhofer IAF / View into the main chamber with a 200-mm wafer in the center on the chuck which is moved under the probe card. The system is testing a wafer from the QUASAR project, in which researchers are developing single-electron transistors (SETs) based on silicon quantum wells to be used as a device for spin qubits. © Fraunhofer IAF

1-K-Kryostat mit durchgeführten Leitungen für Gleichstrom- und Hochfrequenz-Messungen. © Fraunhofer IAF / 1-K-Kryostat mit durchgeleiteten Leitungen für Gleichstrom- und Hochfrequenzmessungen. © Fraunhofer IAF

Pierwszy w Niemczech kryogeniczny system do statystycznej jakościowej oceny elementów Qubit na całych waflach o rozmiarze 200 i 300 mm został uruchomiony w Fraunhofer IAF. Probówka na waflach może charakteryzować elementy oparte na półprzewodnikowych punktach kwantowych i kopertach kwantowych oraz nadprzewodnikach w temperaturach poniżej 2 K. Dzięki pełnej automatyzacji operacji naukowcy mogą tworzyć bazę danych o istotnej ilości, co przyczyni się do rozwoju przemysłowej produkcji wysokiej jakości elementów do kwantowych komputerów i sensorów w Europie.

Nowo uruchomiona kryogeniczna probówka na waflach ma na celu lepsze zrozumienie działania elementów kwantowych opartych na półprzewodnikowych punktach kwantowych i kopertach kwantowych oraz nadprzewodnikach. Urządzenie może automatycznie charakteryzować wafle w rozmiarze przemysłowym (200 mm i 300 mm) oraz w dużych seriach (do 25 wafli kolejno) w temperaturach poniżej 2 K (−271,15°C).

Zebrane dane znacznie zmniejszają zależność od przypadkowych trafień, które są charakterystyczne dla pojedynczych pomiarów. W ten sposób zwiększenie możliwości pomiarowych w instytucie przyczynia się do opracowania niezawodnej produkcji wysokiej jakości qubitów, które mogą być wykorzystywane w kwantowych komputerach i sensorach.

W momencie uruchomienia system jest piątym na świecie, drugim w Europie i pierwszym w Niemczech tego typu. Federalne Ministerstwo Edukacji i Badań (BMBF) finansowało zakup i uruchomienie probówki na waflach w ramach projektu „KryoproPlus – udostępnianie i weryfikacja kryogenicznej probówki na waflach”.

Budowa know-how dla przemysłowej produkcji qubitów

„Dzięki probówce na waflach zyskujemy unikalne na skalę krajową nowe możliwości w kryogenicznej charakterystyce”, podkreśla prof. dr Rüdiger Quay, koordynator projektu „KryoproPlus” i tymczasowy dyrektor instytutu Fraunhofer IAF. „Dzięki temu będziemy wspierać naszych partnerów z nauki i przemysłu w budowie europejskiego łańcucha dostaw materiałów i procesów produkcyjnych dla stałokrystalicznych qubitów. W ten sposób możemy wnieść istotny wkład w technologiczną suwerenność Niemiec i Europy”, patrzy w przyszłość Quay.

„Probówka na waflach zapewnia nam po raz pierwszy statystycznie istotne dane, które pozwalają nam systematycznie optymalizować i skalować produkcję elementów do kształtowania qubitów”, wyjaśnia Nikola Komerički, który nadzoruje projekt „KryoproPlus” w ramach swojej pracy doktorskiej nad charakterystyką elementów do kwantowych komputerów. Komerički koordynował instalację i uruchomienie systemu i już przeprowadza pierwsze pomiary.

„Chcemy lepiej zrozumieć, jak osiągnąć dobre, jednorodne qubity, aby umożliwić skalowanie i przemysłową produkcję qubitów w Niemczech i Europie”, dodaje Komerički. „W tym celu konieczne jest poszerzenie perspektywy jakościowej o perspektywę ilościową i statystyczną dotyczącą zachowania elementów.”

Lepsze dane dzięki zautomatyzowanemu pomiarowi całych wafli 200 mm i 300 mm w temperaturach poniżej 2 K

Qubity oparte na półprzewodnikowych punktach kwantowych i kopertach kwantowych oraz nadprzewodnikach działają w temperaturach bliskich zeru absolutnemu (−273,15°C), ponieważ minimalizują zakłócenia z otoczenia, aktywują nadprzewodnictwo i umożliwiają formowanie oraz splątanie qubitów. W związku z tym istotne jest, aby były one jak najdokładniej charakteryzowane w temperaturze pracy oraz aby rejestrowano dane pomiarowe dające się statystycznie ocenić.

Kryogeniczna probówka na waflach wypełnia tę lukę w charakterystyce. Zautomatyzowany pomiar całych wafli 200 mm i 300 mm w temperaturach poniżej 2 K przy krótkim czasie wymiany zwiększa ilość dostępnych danych wielokrotnie. Dzięki temu naukowcy i inżynierowie mają niezbędną bazę do wprowadzania celowych ulepszeń elementów do kształtowania qubitów i zwiększania skalowalności.

Charakterystyka elementów do kwantowych komputerów w projektach »MATQu«, »QUASAR« i »QLSI«

Dzięki pełnemu uruchomieniu probówki na waflach projekt „KryoproPlus” został zakończony. Pierwsze zastosowania systemu miały miejsce w ramach projektów „MATQu – Materiały do kwantowych komputerów”, „QUASAR – Nadprzewodnikowy procesor kwantowy z architekturą skalowalną opartą na shuttlingu” oraz „QLSI – Wielkoskalowa integracja kwantowa z krzemem”.

W ramach projektu „MATQu” Komerički charakteryzuje i analizuje kontakty Josephsona (niobowe), które stanowią elementy dla transmonowych qubitów. W przypadku „QUASAR” i „QLSI” przeprowadzane są charakterystyki tranzystorów efektu pola (FET) dla pojedynczych elektronów (SET) opartych na silikonowych kopertach kwantowych, a następnie także dla SET-ów, które służą jako elementy spinowych qubitów.