Silisium-teknologi for storskala kvanteprosessorer

Å kunne bruke silisium-teknologi for å lage den nye generasjonen av kvanteprosessorer ville være et kjærkomment pluss for IT sektoren, da det vil gi mulighet for bruk av allerede eksisterende CMOS-produksjonslinjer. MOS-QUITO-prosjektet tok sikte på å gjøre dette mulig i nær fremtid. Kvanteberegning kan tilby en helt ny verden av muligheter, men det er også en utfordring.

Forskere og ingeniører måtte tilbake til tegnebrettet og revolusjonere måten prosessorer er bygget på. I denne sammenhengen er all allerede bevist teknologi som kan brukes til å fremme forskning noe av en velsignelse. MOS-QUITO-prosjektet fokuserer oppmerksomheten på en av disse for å lage skalerbare kvanteprosessorer: silisiumteknologi.

Teamets ambisjon er å demonstrere at silisiumbaserte qubit-enheter helt kan produseres ved hjelp av en industrikompatibel CMOS-plattform. De har også sett på muligheten for å utvikle tradisjonell CMOS-elektronikk som er i stand til å operere ved veldig lav temperatur og tjene som kontrollmaskinvare for kvanteprosessorer. “Prosjektet bygger på mange års grunnleggende forskning. Disse har gitt oss en viktig forståelse av lave temperaturer (sub-Kelvin) elektroniske egenskaper til silisiummetalloksyd halvledertransistorer og mer spesifikt transistorenheter basert på silisium-på-isolatorteknologi, sier Silvano De Franceschi, koordinator for prosjektet på vegne av den franske kommisjon for alternative energier og atomenergi.

Prosjektets begrunnelse er at bruk av silisiumteknologi for kvanteberegning faktisk kan utnytte de store integrasjonsfunksjonene i en allerede veletablert industri. Som De Franceschi påpeker: “Hensikten med kvantecomputere er å løse praktiske problemer som nåværende ikke muligens kunne håndtere, og for det krever de et veldig stort antall fysiske qubits.

Å utnytte silisiumteknologi virker som et overbevisende alternativ for å realisere denne visjonen. ” I løpet av prosjektet utformet og testet De Franceschi og teamet hans en rekke silisiumspinn-qubits – qubits avhengig av rotasjonsgraden av en lokalisert elektronisk ladning for å holde kvanteinformasjon i veldig lang tid. Derfra utnyttet de en 300 mm CMOS fabrikasjonslinje i Grenoble. De ønsket å demonstrere at høykvalitets silisiumspinnbiter kan produseres ved bruk av industristandard CMOS-prosesser i et storskala nanofabrication-anlegg. Det var ikke en enkel prosess, som De Franceschi forklarer: “De viktigste vanskeligheter oppsto under fabrikasjon.

Nye fabrikasjonsprosesser måtte utvikles, og uventede fabrikasjonsproblemer resulterte i en viss forsinkelse. Vi har også lidd av forsinkelser på grunn av utstyrsproblemer. ” MOS-Quito andre viktige mål besto i å utvikle et verktøysett av CMOS-baserte enheter som for eksempel forsterkere, sirkulatorer og multipleksere med lav støy. Etter hvert kan disse brukes som perifer elektronikk med lav temperatur for forbedret qubit-kontroll og avlesning. “Ved å dele den samme CMOS-teknologien, kan qubits og i det minste en del av kontrollelektronikken til og med bli integrert på samme brikke.

Denne unike muligheten kan være spesielt nyttig for utviklingen av raske og skalerbare avlesningskretser, ”påpeker De Franceschi. Pågående arbeid Prosjektet har vært særlig fruktbart, med totalt 55 publikasjoner og syv patenter introdusert. I tillegg til å demonstrere og studere den første qubit-baserte CMOS-teknologien, ga prosjektet ut bevis-til-konsept-demonstrasjoner av flere kryo-CMOS-kretser med en rekke funksjoner.

Dette arbeidet er avgjørende for utvikling av store datamaskiner, da kvanteinformasjon som er lagret i qubits raskt kan brytes ned og bli ubrukelig hvis den ikke blir avkjølt til temperaturer nær absolutt null. Andre prestasjoner inkluderer utvikling og optimalisering av spinnavlesningsteknikker basert på: RF gate reflectometry; forbedret forståelse og bruk av elektrisk-dipol spinnresonans for både hull og elektroner; og innledende resultater på ladningskontroll i silisium CMOS-baserte firedoblede kvanteprøver.

Selv om MOS-QUITO ble fullført i september 2019, fortsetter arbeidet i to oppfølgingsprosjekter. Disse prosjektene, et ERC Synergy-prosjekt kalt QuCube og et Quantum Technology Flagship-prosjekt kalt QLSI, har begge som mål å ta silisiumkwbiter nærmere skalerbar kvanteberegning. Kvanteberegning er nå mye ansett av mange i akademia, myndigheter og industri å representere en viktig ny grense innen informasjonsteknologi med potensial for en forstyrrende innvirkning. Mange forskjellige materialer og tilnærminger har blitt utforsket.

Oversetting og tilrettelegging av Michael Undseth-Gyllenberg. © Europa Unionen, 2020 – Kilde: CORDIS, cordis.europa.eu.