Kwantumcomputers hebben het potentieel om velden zoals geneeskunde, cyberbeveiliging en kunstmatige intelligentie door moeilijke optimalisatieproblemen op te lossen die buiten het bereik van conventionele computerhardware liggen.

Maar de technologie om de apparaten op grote schaal te produceren, bestaat nog niet.

Onderzoekers van de Universiteit van Texas in Dallas hebben een techniek ontwikkeld die een van de uitdagingen voor het opschalen van de productie van siliciumkwantumapparaten zou kunnen wegnemen. De onderzoekers schetsten hun methode, die zorgt voor meer controle en precisie tijdens het fabricageproces, in een studie die op 28 mei online is gepubliceerd en in de gedrukte editie van juli van de Journal of Vacuum Science &Technology B . Silicium is het voorkeursmateriaal voor de basis van kwantumapparaten vanwege de compatibiliteit met conventionele halfgeleidertechnologie.

De corresponderende auteur van de studie, Dr. Reza Moheimani, de James Von Ehr Distinguished Chair in Science and Technology en een professor in systeemtechniek aan de Erik Jonsson School of Engineering and Computer Science, ontving in 2019 een subsidie ​​van $ 2,4 miljoen van het Amerikaanse ministerie van Energie om technologie te ontwikkelen voor atomair nauwkeurige productie, het proces van het bouwen van nieuwe materialen en apparaten atoom voor atoom.

Het team van Moheimani pakt een reeks uitdagingen aan voor de fabricage van kwantumapparaten.

"Ons nieuwste werk verhoogt de precisie van het fabricageproces, "Zei Moheimani. "We werken ook aan het vergroten van de doorvoer, snelheid en betrouwbaarheid."

De methode van de onderzoekers voor het bouwen van een op silicium gebaseerde qubit, of kwantumbit, de basiseenheid van informatie in een kwantumcomputer, begint met een atomair vlak siliciumoppervlak bedekt met een laag waterstof, die voorkomt dat andere atomen of moleculen in het oppervlak worden opgenomen. Volgende, onderzoekers gebruiken een scanning tunneling microscope (STM), met een sonde met een atomair scherpe punt, functioneren als een micro-robotarm, om waterstofatomen selectief van het oppervlak te verwijderen. De STM is ontworpen voor het afbeelden van atomaire kenmerken op een oppervlak, echter, onderzoekers gebruiken het apparaat ook om atomen te manipuleren in een modus die waterstofdepassivatielithografie (HDL) wordt genoemd.

Het moeizame proces omvat het plaatsen van de punt over een waterstofatoom, het toevoegen van een hoogfrequent signaal aan de tip-sample-biasspanning en het verhogen van de amplitude van het hoogfrequente signaal totdat het waterstofatoom loskomt van het oppervlak, onthullend silicium eronder. Nadat een vooraf bepaald aantal waterstofatomen selectief van het oppervlak zijn verwijderd, fosfinegas wordt in het milieu gebracht en na een specifiek proces, fosforatomen worden aan het oppervlak geadsorbeerd, waarbij elk fungeert als een qubit.

Het probleem met conventionele HDL is dat het voor de operator gemakkelijk kan zijn om het verkeerde waterstofatoom te plukken, wat resulteert in het creëren van qubits op ongewenste locaties. Het gebruik van de STM voor HDL vereist een hogere spanning dan voor beeldvorming, waardoor de punt te vaak tegen het oppervlaktemonster botst, waardoor de operator opnieuw moet beginnen.

De onderzoekers werkten aan hun oplossing voor het STM-tip-crashprobleem toen ze een preciezere methode ontdekten om de oppervlakte-atomen te manipuleren.

"Conventionele lithografie kan niet de vereiste atomaire precisie bereiken, " zei Moheimani. "Het probleem is dat we een microscoop gebruiken om lithografie te doen; we gebruiken een apparaat om iets te doen waarvoor het niet is ontworpen."

De onderzoekers ontdekten dat ze een hogere precisie konden bereiken door HDL uit te voeren in beeldvormingsmodus, in plaats van de conventionele lithografiemodus, met enkele aanpassingen aan de spanning en een wijziging in het feedbackcontrolesysteem van de STM.

"We realiseerden ons dat we deze methode daadwerkelijk konden gebruiken om waterstofatomen op een gecontroleerde manier te verwijderen, " zei Moheimani. "Dit kwam als een verrassing. Het is een van die dingen die gebeuren tijdens experimenten, en je probeert het uit te leggen en er misbruik van te maken."

Van kwantumcomputers wordt verwacht dat ze meer informatie kunnen opslaan dan huidige computers. huidige transistoren, die informatie doorgeven, kan niet kleiner gemaakt worden, zei Hamed Alemansour, een doctoraalstudent werktuigbouwkunde en hoofdauteur van de studie.

"Het soort technologie dat nu wordt gebruikt voor het maken van transistors heeft zijn limiet bereikt. Het is moeilijk om de grootte nog meer te verkleinen met conventionele methoden, ' zei Alemansour.

Terwijl een conventionele computer de precieze waarden van 1s en 0s gebruikt om berekeningen te maken, de fundamentele logische eenheden van een kwantumcomputer zijn vloeiender, met waarden die kunnen bestaan ​​als een combinatie van enen en nullen op hetzelfde moment of ergens daartussenin. Het feit dat een qubit twee getallen tegelijkertijd kan vertegenwoordigen, stelt de kwantumcomputer in staat om informatie veel sneller te verwerken.

Een van de volgende uitdagingen, Moheimani zei, zal zijn om technologie te ontwikkelen om meerdere STM-tips tegelijk te bedienen.

"Wat als we 10 of 100 tips parallel aan elkaar kunnen gebruiken, zodat we dezelfde lithografie kunnen doen, vermenigvuldigd met 100 keer? Wat als we het 10 keer sneller kunnen doen? Als we 100 qubits 10 keer sneller kunnen produceren, wij zijn 1, 000 keer beter af, ' zei Moheimani.