Imec opracowuje kropki kwantowe Si MOS o bardzo niskim poziomie szumów, wykorzystując technologię CMOS 300 mm

Imec, wiodący na świecie ośrodek badań i innowacji w dziedzinie nanoelektroniki i technologii cyfrowych, ogłosił dziś demonstrację wysokiej jakości przetwarzania spinowego kubitu na bazie kropek kwantowych 300 mm-Si z urządzeniami, co daje statystycznie istotny, średni szum ładunku wynoszący 0,6 µeV/√ Hz przy 1 Hz. Biorąc pod uwagę wydajność szumu, uzyskane wartości są najniższymi wartościami szumu ładunku osiągniętymi na platformie kompatybilnej z fabryką 300 mm.

Tak niskie wartości szumu umożliwiają kontrolę kubitów o wysokiej wierności, ponieważ redukcja szumu jest krytyczna dla utrzymania spójności kwantowej i kontroli o wysokiej wierności. Poprzez wielokrotne i powtarzalne demonstrowanie tych wartości w procesie 300 mm Si MOS kwantowych kropek, praca ta sprawia, iż ​​komputery kwantowe na dużą skalę oparte na kropkach kwantowych Si są realną możliwością.

Spinowe kubity kwantowych kropek Si są obiecującymi elementami składowymi do realizacji komputerów kwantowych na dużą skalę z dwóch głównych powodów. Po pierwsze, spinowe kubity Si z długimi czasami koherencji kwantowej (wskaźnik odzwierciedlający ich zdolność do przechowywania informacji kwantowych przez długi czas) i operacjami bramek kwantowych o wysokiej wierności były wielokrotnie demonstrowane w środowiskach laboratoryjnych i dlatego są dobrze ugruntowaną i przetestowaną technologią o realistycznych perspektywach. Po drugie, co potencjalnie ważniejsze dla długoterminowej wykonalności, podstawowa technologia jest kompatybilna i ściśle powiązana z technologiami produkcji CMOS, a jako taka oferuje możliwość jednorodności skali wafli i wydajności z wymaganym zaawansowanym połączeniem zaplecza linii struktur kwantowych kropek Si, które są potrzebne do naprawdę dużych chipów kwantowych, z milionami, a choćby miliardami kubitów działających synchronicznie.

Istnieje kilka typów spinowych kubitów kropek kwantowych Si, które są badane w imec. W tej pracy spinowe kubity kropek kwantowych zostały zdefiniowane przez struktury kropek kwantowych metal-tlenek-półprzewodnik (MOS), które przypominają zmodyfikowane struktury tranzystorowe, aby uwięzić pojedynczy spin elektronu lub dziury. Aby osiągnąć długie czasy koherencji kwantowej, szum, a w szczególności szum ładunku kropki kwantowej, powinien być tak niski, jak to możliwe. Ten szum zwykle wynika z ładunków resztkowych, uwięzionych w pobliżu lub choćby wewnątrz kropki kwantowej, a ich usunięcie jest najważniejsze dla zwiększenia wydajności spinowych kubitów. Ostatecznie jest to determinowane przez pełny stos przetwarzania struktury kubitu kropki kwantowej, ponieważ wszelkie wprowadzone tam defekty muszą zostać zminimalizowane. Chociaż można to osiągnąć dzięki technik laboratoryjnych, takich jak bardzo delikatne procesy odrywania, które zmniejszają uszkodzenia procesu, przemysłowe techniki produkcyjne, takie jak trawienie subtraktywne i wzorowanie oparte na litografii, wykazały, iż łatwo powodują degradację urządzenia i jakości interfejsu, szczególnie na interfejsie Si/SiO2 w pobliżu kubitów kropek kwantowych. W rezultacie szum ładunku struktur kropek kwantowych na bazie Si/SiO2 wytwarzanych w profesjonalnych zakładach produkcyjnych jest zwykle wyższy niż wartości uzyskane przy użyciu przetwarzania laboratoryjnego.

Dzięki starannej optymalizacji i inżynierii 300 mm stosu bramek MOS na bazie Si/SiO2, imec osiągnął rekordowo niski średni poziom szumu ładunku wynoszący zaledwie 0,6 µeV/√ Hz (przy 1 Hz) na płytkach 300 mm i scharakteryzował go dzięki metod statystycznych. Kristiaan De Greve, imec Fellow i Program Director Quantum Computing w imec:
„Wykazaliśmy poziom szumu ładunku, który w zależności od źródła jest od połowy rzędu wielkości do jednego rzędu wielkości niższy w porównaniu do obecnych najnowocześniejszych struktur kropek kwantowych Si opartych na fabrykach i osiągnęliśmy niezwykle jednorodną pracę kropek kwantowych. Nasze wyniki potwierdzają, iż 300 mm Si MOS jest przekonującą platformą materiałową dla spinowych kubitów kropek kwantowych i podkreślają dojrzałość przemysłowych technik wytwarzania dla rozwoju kubitów”.

Ponadto metody analizy statystycznej użyte do scharakteryzowania urządzeń o niskim poziomie szumu ładunku ujawniły fundamentalne spostrzeżenia na temat ich pochodzenia. „Znajomość źródła szumu ładunku da nam wskazówki, jak dalej optymalizować struktury kropek kwantowych” — dodaje De Greve. „Środowisko kubitów o niskim poziomie szumu i wykazana jednorodność produkcji CMOS to dopiero początek serii umożliwiających rozwój technologii w celu skalowania chipów kwantowych w kierunku ostatecznego praktycznego przetwarzania kwantowego, które przy obecnym stanie wiedzy będzie wymagało milionów fizycznych kubitów”.

Powyższe wyniki opublikowano w Artykuł w czasopiśmie Nature Partner Journals.