Skalierbares Quantencomputing
Quantenpunkt-QPUs brauchen EUV-Lithografie
Auf der ITF World hat imec den weltweit ersten Quantenpunkt-Quantenprozessor (QPU) vorgestellt, der mit Hilfe der High-NA-EUV-Lithografie gefertigt wurde, laut imec ein Meilenstein auf dem Weg zur industriellen Skalierung zuverlässigerer Qubits.
Dies zeigt, dass die High-NA-EUV-Lithografie für die Fertigung von Quantenpunkt-QPUs eine zentrale Rolle für das zukünftige Quantencomputing spielen wird.
Bei bestimmten komplexen Rechenaufgaben, wie der Entwicklung neuer Medikamente oder der Simulation physikalischer Prozesse, könnte ein Quantencomputer exponentiell bessere Leistungen erbringen als klassische Computer. Um jedoch einen einsatzfähigen Quantencomputer zu erhalten, müssen wir eine Skalierung auf Millionen miteinander verbundener Qubits erreichen, und zwar mit hoher Zuverlässigkeit und präziser Steuerung.
Von den verschiedenen derzeit untersuchten Quantenplattformen gelten Silizium-Quantenpunkt-Spin-Qubits als vielversprechender Kandidat für die industrielle Skalierung und werden oft als die »Qubits der Industrie« bezeichnet. Ihr Herstellungsprozess ist weitgehend kompatibel mit der Produktion von Standard-Computerchips auf Siliziumbasis (CMOS).
»Wir können auf jahrzehntelange Innovationen im Halbleiterbereich zurückgreifen und das gesamte Ökosystem der Silizium-Skalierung nutzen, um Quantenbausteine über Laborversuche hinaus zu groß angelegten, industriell herstellbaren Systemen zu entwickeln. Hier haben Quantenbits auf Siliziumbasis einen klaren Vorteil«, erklärt Sofie Beyne, Projektleiterin und Ingenieurin für Quantenintegration bei imec.
Silizium-Quantenpunkt-Spin-Qubits schließen ein Elektron in einer Silizium-Nanostruktur (der Gate-Schicht) ein. Der Spin-Zustand des eingeschlossenen Elektrons wird zur Speicherung von Quanteninformation genutzt. Die Abstände zwischen den verschiedenen Gates müssen minimiert werden, um Umgebungseinflüsse zu begrenzen. Imec ist es gelungen, ein funktionierendes Netzwerk von Qubits mit Abständen von knapp 6 nm herzustellen. Dank der nanoskaligen Abmessungen dieser Hardwarekomponente können theoretisch Millionen von Quantenbits auf einem einzigen Chip integriert werden.
»High-NA-EUV ermöglicht die präzise Strukturierung von Silizium-Quantum-Dot-Qubits. Weil die Kopplungsstärke zwischen benachbarten Quantum Dots exponentiell mit dem Abstand zwischen ihnen zunimmt, müssen wir Lücken von wenigen Nanometern zwischen den Steuerelektroden der Quantum Dots zuverlässig strukturieren. Dieser Durchbruch ist unserem Integrations- und Strukturierungsteams sowie der High-NA-EUV-Technologie von ASML zu verdanken«, sagt Kristiaan De Greve, imec Fellow und Programmdirektor für Quantencomputing.
Die neuste Demonstration baut auf früheren Ergebnissen von imec mit Spin-Qubits aus Silizium-Quantenpunkten auf, die bereits gezeigt haben, dass CMOS-kompatible Prozesse zu geringem Ladungsrauschen und einem stabilen Qubit-Betrieb führen können. Durch die Einbindung der High-NA-EUV-Lithografie in den Produktionsprozess verlagert sich der Fokus von einzelnen Demonstrationsbauelementen im Labor hin zu reproduzierbaren Quantenbits, die für 300-mm-Fertigungsanlagen geeignet sind.
Es ist zwar offensichtlich, dass die High-NA-EUV-Lithografie für Logik- und Speichertechnologien mit einer Strukturbreite unter 2 nm entscheidend sein wird, die das rasante Wachstum fortschrittlicher KI und Hochleistungsrechner vorantreiben, doch wird nun deutlich, dass sie auch eine zentrale Rolle bei der Hardware für das zukünftige Quantencomputing spielen wird.