Imec prezentuje nadprzewodnikowe kubity nowej generacji

Komputery kwantowe mogą radykalnie wpłynąć na wybrane obszary przemysłu, w tym na syntezę nowych materiałów, leków farmaceutycznych czy cyberbezpieczeństwo. W modelu obliczeniowym obwodu kwantowego bramka logiki (lub po prostu bramka kwantowa) jest podstawową operacją na niewielkiej liczbie kubitów, co jest analogiczne do klasycznej bramki logicznej dla konwencjonalnych układów cyfrowych. Kubity to elementy składowe obwodów kwantowych. Opracowywane są różne platformy obliczeń z odmiennymi rodzajami kubitów, a na całym świecie trwają wysiłki, aby przenieść je z laboratorium do realnych zastosowań.

Jedna z obiecujących, takowych technologii wykorzystuje obwody nadprzewodnikowe. Anton Potočnik, badacz obliczeń kwantowych w firmie Imec opowiada: „Stany energetyczne kubitów nadprzewodzących są stosunkowo łatwe do kontrolowania, a przez lata naukowcom udawało się łączyć ze sobą coraz większą ich liczbę. Umożliwia to wyższy poziom splątania, który jest jednym z filarów obliczeń kwantowych. [...] Co więcej, grupy badawcze na całym świecie zademonstrowały kubity nadprzewodzące z długimi czasami koherencji, do kilkuset mikrosekund i wystarczająco wysokimi wiernościami bramek — dwa ważne kryteria dla tego ujęcia”.

Podczas gdy czas koherencji dostarcza informacji o tym, jak długo kubit zachowuje stan kwantowy (a tym samym swoją informację), wierność bramek określa ilościowo różnicę w działaniu między idealną a odpowiednią fizyczną w sprzęcie kwantowym.

Kwestie zmienności utrudniają szerokie wdrożenie

Wspomniane powyżej zachęcające wyniki uzyskano do tej pory jedynie w skali laboratoryjnej, przy użyciu egzotycznych technik wytwarzania złącza Josephsona. „Nadprzewodzący kubit jest zasadniczo nieliniowym obwodem rezonatora LC, zawierającym nieliniową cewkę indukcyjną [L] i kondensator [C]” — zakomunikował Potočnik. „Złącze Josephsona pełni rolę nieliniowej, nierozpraszającej się cewki indukcyjnej, która pozwala nam manipulować stanami energii kubitów, aby na przykład reprezentować superpozycję 10> i 11>. Aby zminimalizować jakiekolwiek straty energii lub, innymi słowy, zmaksymalizować czas koherencji, różne interfejsy zawarte w strukturach tworzących złącze i kondensator muszą być tak czyste, jak to tylko możliwe. Nawet niewielki defekt atomowy obecny na jednym z interfejsów może spowodować utratę energii. I właśnie dlatego depozycja pod podwójnym kątem i lift-off są preferowanymi technikami produkcji: mogą zapewnić te niezwykle czyste interfejsy”. Jednakże te techniki wytwarzania mają poważną wadę: stanowią wyzwanie dla skalowania. Wdrożenie w szeroki sposób jest utrudnione przez zmienność energii Josephsona. Ponadto metoda ta ogranicza wybór materiału nadprzewodzącego, a tym samym możliwość ulepszenia kubitów.

Alternatywne podejście

„Nasz zespół w Imec zbadał odmienne sposoby wytwarzania obwodów nadprzewodzących. Skupiliśmy się na budowaniu tak zwanych złączy Josephsona typu nakładającego się przy użyciu wyłącznie materiałów i technik kompatybilnych z CMOS. Jako że umożliwia to wykorzystanie niezawodności i odtwarzalności oferowanej przez najnowocześniejsze etapy przetwarzania CMOS w celu kontrolowania zmienności i ułatwienia skalowania” — mówi Dr Jeroen Verjauw, naukowiec z Imec.

Złącza zakładkowe mają dwie elektrody — dolną i górną — oddzielone cienką warstwą izolatora. Elektrody są definiowane w dwóch cyklach depozycji, z przerwą pomiędzy nimi. Przerwa ta prowadzi do niekontrolowanego wzrostu rodzimego tlenku metalu, który musi zostać usunięty podczas tak zwanego Ar-millingu. „Ten etap jest jednak krytyczny i wcześniej zgłaszano, że wprowadza niepożądane straty energii” — dodaje Verjauw. Ar-milling to tzw. 'frezowanie' za pomocą jonów argonu.

Czasy koherencji do 100 µs, wierność bramki równa 99,94%

„Otrzymaliśmy w naszym laboratorium kubity nadprzewodzące z czasami koherencji przekraczającymi 100 µs i średnią wiernością bramek dla pojedynczego z nich wynoszącą 99,94%. Rezultaty te są porównywalne ze współczesnymi urządzeniami, ale po raz pierwszy uzyskano je przy użyciu technik produkcyjnych zgodnych z CMOS, takich jak najnowocześniejsze napylanie i wytrawianie subtraktywne. Te przełomowe wyniki można osiągnąć poprzez ulepszenie znanego procesu tworzenia złączy nakładających się. Udoskonalenia obejmują optymalizację w celu zmniejszenia liczby etapów procesu i interfejsów, a tym samym ryzyka strat energii, usprawniony tryb Ar-milling i wyłączne użycie aluminium do produkcji elektrod” — objaśnia badacz z Imec, Tsvetan Ivanov.



Kilka dalszych kroków

Opisane eksperymenty zostały dotychczas przeprowadzone jedynie w środowisku laboratoryjnym. Jednak prezentowana metoda produkcji zwiastuje ważny kamień milowy w kierunku możliwości wygenerowania tych kubitów w procesie CMOS 300 mm, jak wskazuje Ivanov. „Wkrótce przeniesiemy wytwórstwo tych obwodów nadprzewodzących do 300-milimetrowej fabryki Imec. Chętnie sprawdzimy, czy wysokie czasy koherencji można odtworzyć na większych podłożach”.

„Ponadto zaprojektowaliśmy nasze próbki testowe w taki sposób, abyśmy mogli badać, skąd pochodzą straty energii” — dodaje Verjauw. „Pierwsze wyniki wskazały, że występują one głównie na zewnętrznej płaszczyźnie konstrukcji, a nie na poziomie krytycznego złącza. Jest to zachęcające, ponieważ pozostawia miejsce na optymalizację poprzez zastosowanie bardziej dedykowanych etapów obróbki powierzchni. I wreszcie, nasza metoda wytwarzania zapewnia ścieżkę do generowania powtarzalnych kubitów na dużym obszarze wafla, z małą zmiennością”.

Jednak na drodze do praktycznych ich zastosowań opartych na nadprzewodnikach stoją inne przeszkody. „Nadprzewodzące kubity są nadal relatywnie duże [wielkości milimetrów] w porównaniu na przykład z półprzewodnikowymi jednostkami spinowymi [rozmiar nanometrów]. Badamy, jak możemy jeszcze bardziej zmniejszyć urządzenia” — podsumowuje Potočnik.

Wnioski i perspektywy

Praca omawiana tutaj jest kluczowym kamieniem milowym w kierunku pokonania podstawowych barier w zwiększaniu skali produkcji kubitów nadprzewodzących dzięki korzyściom w zakresie kontroli i dokładności, jakie dają standardowe w branży metody przetwarzania. Ponieważ wiele tysięcy czy nawet milionów fizycznych kubitów będzie prawdopodobnie wymaganych dla procesorów kwantowych przyszłości, pokonanie barier wynikających ze zmienności i niskiego uzysku procesu produkcji stanie się kluczowe. Dlatego też firmy takie jak Imec inwestują znaczące kwoty i nakłady pracy w zrozumienie i porównanie tych ograniczeń oraz wprowadzenie nowatorskich rozwiązań w zakresie produkcji kubitów.

Źródło: https://www.eetimes.com/imec-demos-next-level-superconducting-qubits/