Projekt UE skupia siły na drodze do ery skalowalnych procesorów kwantowych

Kryogeniczny on-wafer-prober w Fraunhofer IAF umożliwia w pełni automatyczną charakterystykę do 25 pełnych wafli o średnicy 200 mm lub 300 mm z elementami 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

Ustawienie do charakteryzacji RF w warunkach kriogenicznych. © Fraunhofer IPMS / Ustawienie do charakteryzacji RF w warunkach kriogenicznych. © Fraunhofer IPMS

Konsorcjum ARCTIC. © imec / Konsorcjum ARCTIC. © imec

© imec

Aby uczynić komputery kwantowe użytecznymi, kluczowy jest rozwój sterowania dla systemów skalowalnych, ale wciąż jest on na wczesnym etapie rozwoju. Projekt »ARCTIC« łączy 36 międzynarodowych partnerów z przemysłu, nauki i wiodących instytucji badawczych, aby zbudować pełny i kompleksowy europejski łańcuch dostaw dla skalowalnej, niezawodnej i innowacyjnej infrastruktury sterowania dla kryogenicznych procesorów kwantowych. Niemieckie instytuty Fraunhofer IPMS i Fraunhofer IAF wnoszą w tym zakresie swoje obszerne kompetencje w charakterystyce komponentów elektronicznych. UE finansuje ten projekt kwotą ponad 11 milionów euro na trzyletni okres realizacji.

Komputery kwantowe są obecnie uważane za najbardziej obiecujących kandydatów do efektywnego rozwiązania problemów, które dla klasycznych komputerów są całkowicie nieosiągalne. Jednakże wymagają one ogromnych nakładów na sterowanie i interfejsy, aby działać. W przypadku komputerów kwantowych opartych na kubitach, które są obsługiwane w kriostacie blisko zera bezwzględnego, liczba możliwych przewodów sygnałowych, które mogą być prowadzone od urządzeń sterujących do kriostatów, jest ograniczona. Wynika to z ograniczonej przestrzeni, ciepła przenoszonego przez przewody oraz ograniczonej długości istniejących przewodów ze względu na wymaganą integralność sygnału.

„Wymagania dotyczące wydajności urządzeń elektronicznych i układów w temperaturach kriogenicznych są zupełnie inne niż w temperaturze pokojowej. Szczególnie w przypadku bardzo wrażliwych zastosowań, takich jak procesory kwantowe, konieczne jest optymalizowanie wszystkich aspektów mikroelektronicznych technologii”, mówi Alexander Grill, kierownik naukowy projektu »ARCTIC« („Zaawansowane Technologie Kriogeniczne dla Innowacyjnych Obliczeń”) w belgijskim centrum badawczym imec. Oczekiwane wyniki projektu są postrzegane jako ważny krok w rozwoju technologii o dużym zapotrzebowaniu, które mogą rozwiązać istniejące problemy w dziedzinach takich jak chemia wspomagana komputerowo, nauki biologiczne oraz kryptografia niezbędna dla ochrony danych i cyberbezpieczeństwa.

Aby pokonać dotychczasowe przeszkody, »ARCTIC« łączy 36 partnerów, aby zbudować pełny i kompleksowy europejski łańcuch dostaw dla kriogenicznej fotoniki, mikroelektroniki i kriomikrosystemów wokół rozwijającego się przemysłu komputerów kwantowych i różnych zastosowań ICT wspomaganych kriogeniką.

Stowarzyszenie Fraunhofer bierze udział w projekcie »ARCTIC« poprzez swoje instytuty IPMS (Photoniczne Mikrosystemy) i IAF (Stosowana Fizyką Ciała Stałego). Głównym obszarem ich pracy w projekcie jest charakterystyka elementów w środowiskach kriogenicznych oraz na waflach w rozmiarze przemysłowym dla kryogenicznych procesorów kwantowych, a także analiza zachowania elektrycznego tranzystorów i elementów pamięci przy nietypowo niskich temperaturach.

Fraunhofer IAF charakteryzuje peryferyczne elementy dla kriogenicznych procesorów kwantowych

Charakterystyka komponentów elektronicznych jest równie ważna, co czasochłonna, szczególnie gdy chodzi o pomiary kriogeniczne i charakterystyki z długim czasem chłodzenia i nagrzewania. Fraunhofer IAF odgrywa kluczową rolę w »ARCTIC«, umożliwiając charakterystykę elementów peryferyjnych dla kriogenicznych procesorów kwantowych na waflach w rozmiarze przemysłowym za pomocą zautomatyzowanego kriogenicznego pełnego probiera wafli. Oprócz szerokiej wiedzy na temat metod charakterystyki półprzewodnikowych elementów do celów badawczo-rozwojowych i testów przemysłowych na waflach o rozmiarze 200 mm i 300 mm, Fraunhofer IAF jest jednym z nielicznych europejskich dostawców takiego systemu testowego do niskich temperatur poniżej 2 K. Ta głęboka wiedza na temat charakterystyki kriogenicznych komponentów i statystycznej zmienności kluczowych technologii będzie stanowić istotny element »ARCTIC« i przyczyni się do przyspieszenia przemysłowego testowania kriogenicznych technologii, niezbędnych do skalowania komputerów kwantowych.

Projekt w Fraunhofer IAF jest finansowany w ramach programu Horizon Europe przez UE i współfinansowany przez Federalne Ministerstwo Edukacji i Badań (BMBF).

Fraunhofer IPMS wnosi swoje kompetencje w charakterystyce komercyjnych elementów półprzewodnikowych

Centrum Nanoelectronic Technologies (CNT) w Fraunhofer IPMS zajmuje się charakterystyką i modelowaniem bipolarnych i CMOS-owych tranzystorów oraz elementów pamięci przy kriogenicznych temperaturach. Główny nacisk kładzie się na wysokoczęstotliwościową, szumową i defektową charakterystykę oraz modelowanie komercyjnych tranzystorów w technologii 22FDX FDSOI, a także na rozwój zoptymalizowanych nieulotnych pamięci ferroelektrycznych. W tym celu kluczowe jest ulepszanie metod charakterystyki w środowisku kriogenicznym i na całych waflach oraz głębokie zrozumienie zachowania tranzystorów FET i elementów pamięci przy nietypowo niskich temperaturach. „Chcemy uzyskać nowe informacje na temat energetycznej pozycji i liczby defektów elektrycznych w tranzystorach. Umożliwi to przemysłowi oferowanie nowych produktów kriogenicznych, a Fraunhofer może zaoferować unikalne metody charakterystyki. Redukcja szumów wywołanych defektami w elektronice jest kluczowa dla zwiększenia czasu koherencji stanów Qubitów, dlatego opracowane metody są bezpośrednio istotne dla podejść do kryogenicznego obliczania kwantowego. W przypadku nieulotnych pamięci ważne jest również minimalizowanie poboru mocy elementów pamięci, ponieważ chłodzenie w kriostatach jest ograniczone”, wyjaśnia dr Maik Simon, naukowiec w grupie Technologii Kwantowych w CNT w Dreźnie.

Kolejnym obszarem kompetencji Fraunhofer IPMS jest badanie przydatności nieulotnych ferroelektrycznych pamięci do środowiska kriogenicznego poprzez charakterystykę elektryczną i modelowanie fizyczne. To przełomowe badanie pokaże, jak elementy funkcjonują w niskich temperaturach i które parametry można zmienić, aby poprawić właściwości przełączania, gęstość integracji i niezawodność.

Projekt w Fraunhofer IPMS jest współfinansowany przez Federalne Ministerstwo Edukacji i Badań (BMBF) oraz Saksońskie Ministerstwo Gospodarki, Pracy i Transportu (SMWA).

O projekcie »ARCTIC«

»ARCTIC« łączy deweloperów technologii, integratorów technologii, modelarzy, projektantów, podmioty systemowe lub aplikacyjne oraz końcowych użytkowników, aby zapewnić płynne połączenie między poszczególnymi poziomami. Jednocześnie dużą część działań skupia na brakujących połączeniach – między innymi w zakresie modelowania kriogenicznego i standaryzacji. Ponadto budowany jest unikalny ekosystem badawczo-rozwojowy w Europie, w którym współpracują różne organizacje badawcze i technologiczne, tworząc most między innowacjami akademickimi a komercyjnym wykorzystaniem – zarówno wśród małych i średnich przedsiębiorstw, jak i dużych korporacji.