Quantumcomputers beloven een dramatische invloed te hebben op geselecteerde toepassingsgebieden, waaronder de synthese van materialen, de ontwikkeling van farmaceutische geneesmiddelen en cyberbeveiliging, om er maar een paar te noemen.

In het rekenmodel van het kwantumcircuit is een logische kwantumpoort (of eenvoudigweg kwantumpoort) een basisbewerking op een klein aantal qubits, wat analoog is aan een klassieke logische poort voor conventionele digitale schakelingen. Qubits zijn de bouwstenen van kwantumcircuits. Er worden verschillende kwantumcomputerplatforms met verschillende soorten qubits ontwikkeld en er worden wereldwijd inspanningen geleverd om ze van het laboratorium naar de wereld te brengen.

Een van de veelbelovende technologieën voor quantum computing maakt gebruik van supergeleidende circuits. Anton Potočnik, senior onderzoeker kwantumcomputers bij IMEC, zegt:"De energietoestanden van supergeleidende qubits zijn relatief eenvoudig te controleren en door de jaren heen zijn onderzoekers in staat geweest om een ​​toenemend aantal qubits aan elkaar te koppelen. hogere mate van verstrengeling - wat een van de pijlers van quantum computing is. Bovendien hebben onderzoeksgroepen over de hele wereld supergeleidende qubits aangetoond met lange coherentietijden (tot enkele 100 µs) en voldoende hoge gate-fidelities - twee belangrijke benchmarks voor kwantumberekening ."

Terwijl coherentietijd ons informatie geeft over hoe lang een qubit zijn kwantumtoestand (en dus zijn informatie) behoudt, kwantificeert gate-getrouwheid het verschil in werking tussen een ideale poort en de overeenkomstige fysieke poort in kwantumhardware.

Grootschalige implementatie gehinderd door variabiliteitsproblemen

De hierboven genoemde bemoedigende resultaten zijn tot nu toe alleen verkregen op laboratoriumschaal, met behulp van dubbele-hoekverdampings- en lift-off-technieken voor het maken van het meest kritische element:de Josephson-junctie. "De supergeleidende qubit is in wezen een niet-lineaire LC-resonatorschakeling, die een niet-lineaire inductor (L) en een condensator (C) bevat", legt Anton Potočnik uit.

"De Josephson-junctie neemt de rol aan van een niet-lineaire, niet-dissiperende inductor, waardoor we qubit-energietoestanden kunnen manipuleren om bijvoorbeeld een superpositie van 10> en 11> weer te geven. Om eventuele energieverliezen of, in met andere woorden, maximaliseer de coherentietijd, de verschillende interfaces in de structuren die de junctie vormen en de condensator moeten zo schoon mogelijk zijn.Zelfs één atoomdefect aanwezig op een van de interfaces kan ervoor zorgen dat de qubit energie verliest. En daarom dubbele hoekverdamping en lift-off zijn de fabricagetechnieken die de voorkeur hebben:ze kunnen deze extreem schone interfaces bieden."

Maar deze fabricagetechnieken hebben een serieuze keerzijde:ze dagen een verdere opschaling naar grotere aantallen qubits uit. Grootschalige implementatie wordt belemmerd door de variabiliteit in Josephson-energie van de verdampte junctie. Bovendien beperkt de fabricagetechniek de keuze van het supergeleidende materiaal en daarmee het potentieel voor qubit-verbetering.

Een alternatieve benadering met behulp van CMOS-compatibele fabricagetechnieken

Jeroen Verjauw, Ph.D. onderzoeker bij IMEC, zegt:"Ons team bij IMEC heeft alternatieve manieren onderzocht om de supergeleidende circuits te fabriceren. Onze focus lag op het creëren van zogenaamde overlappende Josephson-juncties met alleen CMOS-compatibele materialen en technieken, omdat dit het mogelijk maakt om de betrouwbaarheid en reproduceerbaarheid te benutten die wordt geboden door state-of-the-art CMOS-verwerkingsstappen om de variabiliteit te beheersen en opschaling te vergemakkelijken."

Overlappende juncties hebben twee elektroden (onder (BE) en boven (TE)) gescheiden door een dunne isolatorlaag. De elektroden worden gedefinieerd in twee patrooncycli, met een vacuümonderbreking ertussen. De breuk introduceert ongecontroleerde groei van natuurlijk metaaloxide, dat moet worden verwijderd tijdens een zogenaamde Ar-freesstap. "Deze stap van het Ar-frezen staat echter bekend als zeer kritisch en er is eerder gemeld dat het ongewenste energieverliezen veroorzaakt", voegt Jeroen Verjauw toe.

Coherentietijden tot 100 µs, gate-fidelity van 99,94%

Tsvetan Ivanov, onderzoeker bij IMEC, zegt:"We hebben in ons laboratorium supergeleidende qubits aangetoond met coherentietijden van meer dan 100 µs en een gemiddelde single-qubit gate-fidelity van 99,94%. Deze resultaten zijn vergelijkbaar met state-of-the-art apparaten, maar voor het eerst zijn verkregen met behulp van CMOS-compatibele fabricagetechnieken, zoals de modernste sputterdepositie en subtractieve ets.Deze baanbrekende resultaten zouden kunnen worden bereikt door het bekende proces voor het maken van de overlapjuncties te verbeteren. verbeteringen omvatten procesoptimalisatie om het aantal processtappen en interfaces (en daarmee het risico op energieverliezen) te verminderen, een verbeterde Ar-freesstap en het exclusieve gebruik van aluminium (Al) voor het maken van de elektroden."

De volgende stappen:300 mm fabricage, het verminderen van de verliezen en het aanpakken van de reproduceerbaarheid

Onze experimenten beschreven in NPJ Quantum Information zijn tot nu toe alleen bereikt in een laboratoriumomgeving, op substraatcoupons. Tsvetan Ivanov:"Toch luidt de gepresenteerde fabricagemethode een belangrijke mijlpaal in op weg naar een produceerbaar 300 mm CMOS-proces voor hoogwaardige supergeleidende qubits. Binnenkort zullen we de fabricage van deze supergeleidende circuits overzetten naar IMEC's ​​300 mm fab. We zijn benieuwd of de hoge coherentietijden kunnen worden gereproduceerd op grotere wafelsubstraten."

Jeroen Verjauw:“Daarnaast hebben we onze testvoertuigen zo ontworpen dat we kunnen onderzoeken waar de energieverliezen vandaan komen. Uit de eerste resultaten blijkt dat de verliezen vooral optreden aan de buitenzijde van de constructie en niet op het niveau van de kritische knooppunten. Dit is bemoedigend, omdat het ruimte laat voor optimalisatie door meer specifieke oppervlaktebehandelingsstappen toe te passen. En ten slotte biedt onze fabricagemethode een pad naar het fabriceren van reproduceerbare qubits over een groot wafergebied, met een lage variatie in bijvoorbeeld qubit-frequentie."

Toch zijn er nog andere obstakels op de weg naar praktische supergeleidende kwantumcomputers. Anton Potočnik concludeert:"Supergeleidende qubits zijn nog steeds relatief groot (mm-formaat) in vergelijking met bijvoorbeeld halfgeleidende spin-qubits (nm-formaat). We onderzoeken hoe we de apparaten verder kunnen verkleinen. Ook aan de algoritmische kant worden veel inspanningen geleverd. qubits die we vandaag maken zijn niet ideaal, dus er is een enorme inspanning van de theoretische kant om algoritmen te ontwikkelen die beter bestand zijn tegen verliezen en fouten, en om kwantumfoutcorrectieprotocollen te ontwikkelen.Bovendien heeft onze gemeenschap schaalbare, zeer goed gekalibreerde instrumentatie om te communiceren met het groeiende aantal supergeleidende qubits, om ze te besturen en betekenisvolle resultaten uit te lezen."

Conclusie en vooruitzichten

Kristiaan De Greve, programmadirecteur kwantumcomputing bij IMEC, ziet dit werk van Anton, Tsvetan, Jeroen en hun collega's als een cruciale mijlpaal om fundamentele barrières voor het opschalen van supergeleidende qubits te kunnen overwinnen dankzij de controle- en nauwkeurigheidsvoordelen van industrie- standaard verwerkingsmethoden:"Aangezien er waarschijnlijk vele duizenden tot miljoenen fysieke qubits nodig zullen zijn voor de kwantumprocessors van de toekomst, zal het overwinnen van beperkingen als gevolg van variabiliteit en lage opbrengst cruciaal zijn. IMEC investeert daarom aanzienlijk in het begrijpen en benchmarken van deze beperkingen en het introduceren van nieuwe oplossingen die gebruikmaken van onze ervaring in geavanceerde procescontrole."

Danny Wan, programmamanager kwantumcomputing bij IMEC, voegt toe:"Binnen het IMEC-programma over kwantumcomputing zijn onze wetenschappers de uitdaging aangegaan om kwantumcomputing (zowel halfgeleidend als supergeleidend) van het lab naar de wereld te brengen. Resultaten zoals beschreven in NPJ Quantum Information is buitengewoon bemoedigend en bevestigt dat we op de goede weg zijn bij het nastreven van onze missie."

De studie is gepubliceerd in npj Quantum Information . + Verder verkennen

Een alternatieve supergeleidende qubit levert hoge prestaties voor kwantumcomputers