
Ilustracja przekrojowa złącza — nakładanie
się elektrody dolnej (BE) i górnej (TE)
definiuje złącze Josephsona (i pasożytnicze
rozproszone). Resztki ścian
bocznych mogą być obecne w wyniku
trawienia. Zielona warstwa reprezentuje
uszkodzoną przez 'trawienie' argonem
powłokę amorficznego krzemu.
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.

Pomiar relaksacji energii kubitów (po lewej)
i średnia dokładność bramek oraz średni
błąd na bramkę (po prawej).
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/
Cool? Ranking DIY