Tecnologia al silicio per processori quantistici su larga scala
L’informatica quantistica può offrire un nuovo mondo di possibilità, ma rappresenta anche una sfida erculea. I ricercatori e gli ingegneri hanno dovuto ricominciare da capo e rivoluzionare le modalità di costruzione dei processori. In questo contesto, qualsiasi tecnologia già comprovata che può essere utilizzata per far avanzare la ricerca è in qualche modo una benedizione. Il progetto MOS-QUITO ha concentrato la sua attenzione su una di queste, la tecnologia al silicio, per creare processori quantistici scalabili. L’ambizione del team è quella di dimostrare che i dispositivi qubit basati sul silicio possono essere interamente fabbricati utilizzando una piattaforma CMOS compatibile con l’industria. Esso ha anche esaminato la possibilità di sviluppare un’elettronica CMOS tradizionale in grado di funzionare a temperature molto basse e di fungere da hardware di controllo per processori quantistici. «Il progetto si fonda su anni di ricerca di base, che ci hanno fornito un’importante comprensione delle proprietà elettroniche a bassa temperatura (sub-Kelvin) dei transistori MOS al silicio e, in particolare, dei dispositivi a transistor basati sulla tecnologia del silicio su isolante», afferma Silvano De Franceschi, coordinatore del progetto per conto della Commissione francese per le energie alternative e l’energia atomica. Il principio fondamentale del progetto riguarda il fatto che l’uso della tecnologia al silicio per l’informatica quantistica può effettivamente sfruttare le capacità di integrazione su larga scala di un settore già consolidato. Come sottolinea De Franceschi: «Lo scopo dei computer quantistici è risolvere problemi pratici che quelli attuali non sono in grado di gestire, e per questo richiedono un numero molto elevato di qubit fisici. Sfruttare la tecnologia al silicio sembra un’opzione convincente per realizzare questa visione». Nel corso del progetto, De Franceschi e il suo team hanno progettato e testato una varietà di qubit di spin al silicio, ovvero qubit che si basano sul grado di libertà di spin di una carica elettronica localizzata per conservare le informazioni quantistiche per molto tempo. Da lì, hanno approfittato di una linea di fabbricazione CMOS da 300 mm a Grenoble. Volevano dimostrare che qubit di spin al silicio di alta qualità possono essere prodotti utilizzando processi CMOS standard del settore all’interno di una struttura di nanofabbricazione su larga scala. Non è stato un processo facile, come spiega De Franceschi: «Le principali difficoltà sono state riscontrate a livello di fabbricazione dei dispositivi. Alcuni nuovi processi di fabbricazione dovevano essere sviluppati e problemi di fabbricazione imprevisti hanno comportato alcuni ritardi. Abbiamo anche subito alcuni ritardi a causa di problemi alle apparecchiature». L’altro importante obiettivo di MOS-QUITO consisteva nello sviluppo di un kit di strumenti basati su CMOS, quali amplificatori di basso rumore, circolatori e multiplatore. Alla fine, questi potrebbero essere utilizzati come elettronica periferica a bassa temperatura per un migliore controllo e una migliore lettura del qubit. «Condividendo la stessa tecnologia CMOS, i qubit e almeno parte dell’elettronica di controllo potrebbero persino essere integrati nello stesso chip. Questa opportunità unica potrebbe essere particolarmente utile per lo sviluppo di circuiti di lettura veloci e scalabili», sottolinea De Franceschi.
Lavori in corso
Il progetto è stato particolarmente fruttuoso, con un totale di 55 pubblicazioni e sette brevetti introdotti. Oltre a dimostrare e studiare la prima tecnologia CMOS basata su qubit, il progetto ha rilasciato dimostrazioni di fattibilità di diversi circuiti crio-CMOS, con funzionalità diversificate. Questo lavoro è fondamentale per lo sviluppo di computer quantistici su larga scala, poiché le informazioni quantistiche memorizzate nei qubit possono degradare rapidamente e diventare inutilizzabili se non raffreddate a temperature vicine allo zero assoluto. Altri risultati includono lo sviluppo e l’ottimizzazione delle tecniche di lettura degli spin basate su: riflettometria con gate a RF; migliore comprensione e uso della risonanza di spin del dipolo elettrico sia per le lacune che per gli elettroni; risultati iniziali sul controllo di carica in punti quantici quadrupli basati su CMOS al silicio. Sebbene MOS-QUITO sia stato completato a settembre 2019, i lavori continuano in due progetti successivi. Questi progetti, il progetto ERC Synergy chiamato QuCube e il progetto Quantum Technology Flagship chiamato QLSI, mirano entrambi ad avvicinare i qubit di silicio all’informatica quantistica scalabile.
Parole chiave
MOS-QUITO, processore quantistico, qubit, silicio, CMOS
