Kvantdatorer lovar att dramatiskt påverka utvalda applikationsområden, inklusive materialsyntes, läkemedelsutveckling och cybersäkerhet – för att nämna några.

I kvantkretsmodellen för beräkning är en kvantlogisk grind (eller helt enkelt kvantgrind) en grundläggande operation på ett litet antal kvantbitar, vilket är analogt med en klassisk logisk grind för konventionella digitala kretsar. Qubits är byggstenarna i kvantkretsar. Olika kvantberäkningsplattformar med olika typer av qubits utvecklas och världsomspännande ansträngningar pågår för att ta dem från labbet till världen.

En av de lovande teknikerna för kvantberäkning använder supraledande kretsar. Anton Potočnik, senior forskare inom kvantberäkning vid IMEC, säger:"Energitillstånden för supraledande qubits är relativt lätta att kontrollera, och under åren har forskare kunnat koppla ihop ett ökande antal qubits. Detta möjliggör en ständigt- högre nivå av intrassling – vilket är en av grundpelarna inom kvantberäkning. Utöver det har forskargrupper över hela världen visat supraledande kvantbitar med långa koherenstider (upp till flera 100 µs) och tillräckligt hög gatetrohet – två viktiga riktmärken för kvantberäkning ."

Medan koherenstid ger oss information om hur länge en qubit behåller sitt kvanttillstånd (och därmed sin information), kvantifierar grindtrohet skillnaden i drift mellan en idealisk grind och motsvarande fysiska grind i kvanthårdvara.

Storskalig implementering hindras av variationsproblem

De uppmuntrande resultaten som nämnts ovan har hittills endast erhållits i labbskala, med hjälp av dubbelvinklad avdunstning och lyfttekniker för att göra det mest kritiska elementet:Josephson-korsningen. "Den supraledande qubiten är i huvudsak en icke-linjär LC-resonatorkrets, som innehåller en icke-linjär induktor (L) och en kondensator (C)," förklarar Anton Potočnik.

"Josephson-övergången tar rollen som en icke-linjär, icke-försvinnande induktor, vilket gör att vi kan manipulera qubit-energitillstånd för att representera till exempel en superposition av 10> och 11>. För att minimera eventuella energiförluster eller, i med andra ord, maximera koherenstiden, de olika gränssnitten som finns i strukturerna som utgör kopplingen och kondensatorn måste vara så rena som möjligt. Även en atomär defekt som finns vid ett av gränssnitten kan göra att qubiten förlorar energi. Och det är därför Dubbelvinkelavdunstning och lyftning är de föredragna tillverkningsteknikerna:de kan tillhandahålla dessa extremt rena gränssnitt."

Men dessa tillverkningstekniker har en allvarlig baksida:de utmanar en ytterligare uppskalning mot ett större antal qubits. Storskalig implementering hindras av variationen i Josephson-energin hos den förångade korsningen. Dessutom begränsar tillverkningstekniken valet av supraledande material, och därmed potentialen för qubit-förbättring.

En alternativ metod som använder CMOS-kompatibla tillverkningstekniker

Jeroen Verjauw, Ph.D. forskare vid IMEC, säger:"Vårt team på IMEC har utforskat alternativa sätt att tillverka supraledande kretsar. Vårt fokus låg på att skapa så kallade överlappande Josephson-övergångar med enbart CMOS-kompatibla material och tekniker, eftersom detta gör det möjligt att utnyttja den tillförlitlighet och reproducerbarhet som erbjuds genom state-of-the-art CMOS-bearbetningssteg för att kontrollera variabilitet och underlätta uppskalning."

Överlappskopplingar har två elektroder (botten (BE) och topp (TE)) åtskilda av ett tunt isolatorskikt. Elektroderna definieras i två mönstringscykler, med ett vakuumavbrott emellan. Avbrottet introducerar okontrollerad tillväxt av naturlig metalloxid, som måste avlägsnas under ett så kallat Ar-malningssteg. "Detta Ar-fräsningssteg är dock känt för att vara mycket kritiskt och har tidigare rapporterats leda till oönskade energiförluster", tillägger Jeroen Verjauw.

Koherenstider upp till 100 µs, gate-fidelity på 99,94 %

Tsvetan Ivanov, forskare vid IMEC, säger:"Vi har i vårt labb visat supraledande qubits med koherenstider som överstiger 100 µs och en genomsnittlig single-qubit gate fidelity på 99,94%. Dessa resultat är jämförbara med state-of-the-art enheter, men för första gången har de erhållits med användning av CMOS-kompatibla tillverkningstekniker—såsom toppmodern sputtringsavsättning och subtraktiv etsning. Dessa genombrottsresultat skulle kunna uppnås genom att förbättra den kända processen för att göra överlappsövergångarna. förbättringar inkluderar processoptimering för att minska antalet processsteg och gränssnitt (och därmed risken för energiförluster), ett förbättrat Ar-fräsningssteg och exklusiv användning av aluminium (Al) för tillverkning av elektroderna."

Nästa steg:300 mm tillverkning, minska förlusterna och ta itu med reproducerbarhet

Våra experiment som beskrivs i NPJ Quantum Information har hittills endast uppnåtts i en labbmiljö, på substratkuponger. Tsvetan Ivanov:"Ändå förebådar den presenterade tillverkningsmetoden en viktig milstolpe mot en tillverkningsbar 300 mm CMOS-process för högkvalitativa supraledande qubits. Snart kommer vi att överföra tillverkningen av dessa supraledande kretsar till IMEC:s 300 mm fab. Vi är angelägna om att verifiera om höga koherenstider kan reproduceras på större wafersubstrat."

Jeroen Verjauw:"Dessutom designade vi våra testfordon så att vi kan studera var energiförlusterna kommer ifrån. De första resultaten har visat att förlusterna huvudsakligen uppstår på strukturens yttre yta, och inte på den kritiska korsningsnivån. Detta är uppmuntrande, eftersom det lämnar utrymme för optimering genom att tillämpa mer dedikerade ytbehandlingssteg. Och slutligen ger vår tillverkningsmetod en väg mot tillverkning av reproducerbara qubits över en stor skivarea, med låg variation i till exempel qubit-frekvens."

Ändå finns det andra hinder på vägen mot praktiska supraledande kvantdatorer. Anton Potočnik avslutar:"Supraledande qubits är fortfarande relativt stora (mm-stora) jämfört med till exempel halvledande spin qubits (nm-storlek). Vi undersöker hur vi kan krympa enheterna ytterligare. Många ansträngningar pågår också på den algoritmiska sidan. qubits som vi gör idag är inte idealiska, så det finns en enorm ansträngning från den teoretiska sidan för att utveckla algoritmer som är mer motståndskraftiga mot förluster och fel, och för att utveckla kvantfelskorrigeringsprotokoll. Utöver det kommer vårt samhälle att behöva skalbara, mycket välkalibrerad instrumentering för att samverka med det växande antalet supraledande qubits, för att kontrollera dem och avläsa meningsfulla resultat."

Slutsats och utsikter

Kristiaan De Greve, programchef för kvantdatorer vid IMEC, ser detta arbete av Anton, Tsvetan, Jeroen och deras medarbetare som en avgörande milstolpe för att kunna övervinna grundläggande hinder för uppskalning av supraledande qubits i kraft av industrins kontroll- och precisionsfördelar. standardbearbetningsmetoder:"Eftersom många tusen till miljontals fysiska qubits sannolikt kommer att krävas för framtidens kvantprocessorer, kommer det att vara avgörande att övervinna begränsningar på grund av variabilitet och låg avkastning. IMEC investerar därför avsevärt i att förstå och benchmarka dessa begränsningar och introducera nya lösningar som drar nytta av vår erfarenhet av avancerad processkontroll."

Danny Wan, programchef för kvantberäkning på IMEC, tillägger:"Inom IMEC:s program för kvantberäkning har våra forskare ställt på sig själva utmaningen att ta ut kvantberäkningar (både halvledande och supraledande) från labbet till världen. Resultat som beskrivs i NPJ Quantum Information är extremt uppmuntrande och bekräftar att vi är på rätt väg i att fullfölja vårt uppdrag."

Studien publiceras i npj Quantum Information . + Utforska vidare

En alternativ supraledande qubit ger hög prestanda för kvantberäkning