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Quanten-Computing vom Labor in die Fabrik

08. Februar 2021, 17:16 Uhr   |  Iuliana Radu

Quanten-Computing vom Labor in die Fabrik
© plotplot – shutterstock.com

Klassische Elektronik soll mit Quantenschaltungen kombiniert werden.

Auf dem IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM2020) stellte das IMEC die Integration von Silizium-Spin-Qubits auf 300-mm-Wafern vor. Die Forscher schlagen vor, mehrere Qubits in einem linearen Array zu betreiben und klassische Elektronik mit Quantenschaltungen zu kombinieren.

Auf welcher Technik wird der zukünftige Quantencomputer aufgebaut sein? Noch gibt es keinen klaren Sieger im Quantenrennen. Die Entwicklung der ersten Generation kommerzieller Quantencomputer basiert hauptsächlich auf supraleitenden Qubits oder eingeschlossenen Ionen, aber Quantencomputer, die auf Halbleiter-Spin-Qubits basieren, machen große Fortschritte. In den letzten Jahren haben Silizium-basierte Quantenpunkt-Systeme lange Kohärenzzeiten und einen zuverlässigen Betrieb im Labor bewiesen.

Silizium-basierte Qubits sind attraktiv für den potenziellen Einsatz in groß angelegten Quantenprozessoren, weil sie mit der Technik kompatibel sind, die von der Halbleiterindustrie seit über einem halben Jahrhundert benutzt wird. Diese gut etablierten Prozesse ermöglichen eine Fertigung in großen Stückzahlen, was halbleitende Qubits im Hinblick auf die Skalierbarkeit günstig macht. Aber der Schritt von bestehenden Qubit-Prototypen auf mehrere Qubit-Arrays erfordert anspruchsvolle Fertigungstechniken.

Qubits mit Halbleiterprozesstechnik herstellen

Um diese Herausforderung zu meistern, hat das IMEC (Interuniversity Microelectronics Centre) seine Erfahrung in der 300-mm-Fertigung genutzt und einen Prozess entwickelt, der optische und Elektronenstrahl-Lithographie optimal kombiniert, um Silizium-Spin-Qubits herzustellen. Die Entwicklungsplattform basiert auf dem Industriestandard der 300-mm-Silizium-Wafer-Fertigungstechnik anstelle von speziellen Laborprozessen. Der Wechsel vom Labor zur Fertigung erfolgt ohne Verlust an Flexibilität: Die Plattform ermöglicht schnelle Layoutänderungen. Diese Flexibilität erlaubt es, verschiedene Strukturen auf dem 300-mm-Wafer zu integrieren, von einem Doppel-Quantenpunkt-Baustein bis hin zu einem eindimensionalen Qubit-Array, wie in den Bildern 1 bis 3 gezeigt. Die 300-mm-Fertigungsplattform ist der erste vielseitige Werkzeugkasten, für die Entwicklung von Qubit-Bauelementen.

Vom Doppel-Quantenpunkt-Baustein zum eindimensionalen Qubit-Array

Mikroskopaufnahme Doppel-Quantenpunkt.
Mikroskopaufnahme Dreifach-Quantenpunkte.
Mikroskopaufnahme eines linearen Quantenpunkt-Arrays.

Alle Bilder anzeigen (3)

Die flexibel einsetzbare Integrationsplattform für Silizium-Spin-Qubits wurde in einer Fokus-Session zu neuen Schlüsseltechniken auf der IEDM 2020 vorgestellt. Die IMEC-Forscher demonstrierten die Möglichkeit, einzelne Quantenpunkte von externen Schaltkreisen aus zu manipulieren, wie in den Bilder 4 bis 6 skizziert. Wenn ein Elektron in einem der Quantenpunkte gefangen ist, kann es mit einem HF-Signal manipuliert werden. So lässt sich der Winkel steuern, den der Spin des Elektrons aufweist. Die IMEC-Wissenschaftler sind jedoch auch in der Lage, die Tunnelkopplung zwischen benachbarten Quantenpunkten zu verändern. Das sind Voraussetzungen für Qubit-Operationen.

Klassische Elektronik für Quantenschaltungen

Schematischer Querschnitt eines Doppelpunktes, definiert durch ähnliche Gatter wie in Bild 2.
Ersatzschaltung eines Doppelpunktes.
Leitwertkarten

Alle Bilder anzeigen (3)

Auf dem Weg zu Silizium-Quantenprozessoren

Durch die Verlagerung der Qubit-Forschung in eine 300-mm-Fabrik wurde ein erster wichtiger Schritt auf dem Weg zur Entwicklung von umfangreichen Silizium-Spin-Quantenprozessoren getan. Im nächsten Schritt arbeitet die Quantengruppe des IMEC daran, die Plattform für weitere Studien zu nutzen, um große Arrays von Qubits zu bauen und zu betreiben.

Ein Qubit steuern zu können, reicht für große Berechnungen nicht aus, die Wissenschaftler müssen sich auch mit der physikalischen Wechselwirkung zwischen diesem Qubit und seinen nächsten Nachbarn beschäftigen. Sobald sie ein großes Array von Qubits bauen und messen können, müssen sie herausfinden, wie sich logische Gatter in diesem Array implementieren lassen. Um diese Herausforderung zu meistern, wird ein skalierbarer Weg vorgeschlagen, um mehrere Qubits in einem linearen Array zu betreiben. Der Vorschlag basiert auf Nanomagneten und erlaubt es, die Größe des Qubit-Arrays zu erhöhen, wobei die Qubits immer noch einzeln angesprochen werden können.

Eine weitere Herausforderung beim Bau eines vollständigen Quantencomputers ist das technische Problem der Verbindung der Qubits mit klassischen Schaltungen. Die Herausforderung wird mit zunehmender Anzahl von Qubits immer schwieriger, da am Ende ein Gewirr von Millionen von Eingangs- und Ausgangsdrähten entstehen könnte. Dieses Verdrahtungsproblem könnte gelöst werden, indem die klassische Interface-Elektronik näher an die Qubits platziert wird. Das bedeutet, dass ein Teil der klassischen Elektronik in dem gekühltem Bereich untergebracht werden sollte, in dem sich die Qubits befinden – und  bei einer Temperatur von Millikelvin arbeitet. Dies hat die Forschung in Richtung einer Schnittstellenelektronik gelenkt, die bei niedriger Temperatur arbeiten kann, um mehrere Qubit-Zustände anzusteuern und auszulesen. Dazu müssen die Eigenschaften von CMOS-Transistoren im Nanomaßstab richtig modelliert werden.

Die Autorin

Iuliana Radu vom IMEC
© IMEC

Iuliana Radu, IMEC

Iuliana Radu

ist Programmdirektorin am IMEC, wo sie die Aktivitäten im Bereich Beyond CMOS und Quantum Computing leitet. Bevor sie 2013 zum Logikprogramm am IMEC kam, war sie Marie Curie- und FWO-Stipendiatin an der Katholische Universität Löwen (KU Leuven) und am IMEC. Ihre Arbeit am IMEC und an der KU Leuven umfasst Bauelemente, die den Metall-Isolator-Übergang nutzen, ionischen und elektronischen Transport in funktionalen Oxiden und Bauelemente mit Graphen und anderen 2D-Materialien. Radu hat 2009 am MIT in Physik promoviert, wo sie über den fraktionalen Quanten-Hall-Effekt arbeitete und nach nicht-abelschen Quasiteilchen suchte.

Iuliana.Radu@imec.be

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