Technologie krzemowe na potrzeby wielkoskalowych procesorów kwantowych
Komputery kwantowe otwierają przed ludzkością szereg nowych możliwości, ale jednocześnie rozwój tej dziedziny stanowi naprawdę olbrzymie wyzwanie. Rewolucja obejmuje wszystkie elementy i obszary tej technologii, w tym sam sposób budowania procesorów. W takiej sytuacji powodem do radości jest możliwość wykorzystania jakichkolwiek istniejących i sprawdzonych technologii do rozwoju tej dziedziny nauki. Uczestnicy projektu MOS-QUITO skupili się na jednej z tych technologii – rozwiązaniach krzemowych – aby stworzyć skalowalne procesory kwantowe. Celem zespołu jest udowodnienie możliwości wytwarzania opartych na krzemie urządzeń kubitowych przy pomocy dotychczasowych przemysłowych linii produkcyjnych układów CMOS. Naukowcy przyjrzeli się także bliżej możliwości opracowania tradycyjnych układów CMOS, które mogą działać w bardzo niskich temperaturach i posłużyć jako urządzenia sterujące na potrzeby procesorów kwantowych. „Prace naszego projektu opierają się na trwających przez wiele lat badaniach podstawowych. Dzięki nim udało nam się uzyskać wiedzę na temat właściwości elektronicznych tranzystorów krzemowych opartych na technologii metal-tlenek-półprzewodnik, a mówiąc dokładniej, tranzystorów opartych na technologii krzem na izolatorze, w temperaturach wynoszących poniżej 1K”, opisuje Silvano De Franceschi, koordynator projektu z ramienia Francuskiej Komisji Energii Alternatywnych i Energii Atomowej. Uczestnicy uzasadniają realizację projektu tym, że wykorzystanie technologii krzemowej na potrzeby komputerów kwantowych może pozwolić na wykorzystanie funkcji integracji na wielką skalę, oferowanych przez istniejący przemysł. Jak wyjaśnia De Franceschi: „Celem komputerów kwantowych jest rozwiązywanie praktycznych problemów, które są niemożliwe do rozwiązania przez istniejące maszyny, co wymaga olbrzymiej liczby fizycznych kubitów. Wykorzystanie technologii krzemowej wydaje się być możliwością, która pozwoli na realizację tej wizji”. W ramach projektu De Franceschi i prowadzony przez niego zespół zaprojektowali i przetestowali szereg krzemowych kubitów spinowych, wykorzystujących stopień swobody spinu lokalnego ładunku elektronowego w celu przechowywania informacji kwantowej przez bardzo długi czas. Dysponując gotowym rozwiązaniem, zespół wykorzystał linię pozwalającą na wytwarzanie układów CMOS w procesie 300 mm w Grenoble. Celem badaczy było zaprezentowanie możliwości wytwarzania wysokiej jakości krzemowych kubitów spinowych przy użyciu standardowych procesów wytwarzania układów CMOS w klasycznych zakładach produkujących nanoukłady na dużą skalę. Jak wyjaśnia De Franceschi, to zdecydowanie nie był łatwy proces: „Największe trudności pojawiły się na etapie wytwarzania urządzeń. Musieliśmy w związku z tym opracować szereg nowych procesów wytwarzania, a nieprzewidziane przez nas problemy doprowadziły do wystąpienia pewnych opóźnień. Kolejne opóźnienia pojawiły się w wyniku problemów ze sprzętem”. W ramach swoich prac, uczestnicy projektu MOS-QUITO skupili się również na opracowaniu zestawu urządzeń opartych na technologii CMOS, takich jak niskoszumowe wzmacniacze, cyrkulatory oraz multipleksery, które mają zostać wykorzystane jako niskotemperaturowe urządzenia peryferyjne, pozwalające na lepsze sterowanie i odczytywanie wartości kubitu. „Dzięki wykorzystywaniu tej samej technologii CMOS, kubity i niektóre spośród urządzeń sterujących mogą być nawet zintegrowane na tym samym układzie. Ta wyjątkowa możliwość może przyczynić się do opracowania szybkich i skalowalnych obwodów pozwalających na odczytywanie stanu kubitów”, wskazuje De Franceschi.
Prace w toku
Dotychczas projekt przyniósł wiele wyników, w tym 55 publikacji naukowych oraz siedem nowych zgłoszeń patentowych. Poza zaprezentowaniem i zbadaniem pierwszego kubitu opartego na technologii CMOS, wśród wyników projektu znajduje się zaprezentowanie prototypowych układów CMOS działających w temperaturach zbliżonych do zera absolutnego, oferujących szereg różnych funkcji. Prace zrealizowane przez uczestników projektu stanowią klucz do rozwoju i budowy wielkoskalowych komputerów kwantowych, ze względu na fakt, że informacje kwantowe przechowywane w kubitach mogą szybko ulec degradacji i stać się bezużyteczne, jeśli nie są one schłodzone do temperatury bliskiej zeru absolutnemu. Wśród innych osiągnięć projektu można wymienić między innymi opracowanie i optymalizację technik odczytu spinów opartych na reflektometrii bramki RF, poszerzonej wiedzy i wykorzystaniu rezonansu spinowego dipolu elektrycznego, zarówno dla dziur, jak i elektronów, a także wstępnych rezultatów dotyczących kontroli ładunków w krzemowych poczwórnych kropkach kwantowych wykonanych w technologii CMOS. Pomimo tego, że projekt MOS-QUITO dobiegł końca we wrześniu 2019 roku, obecnie trwają dalsze prace w ramach dwóch kolejnych projektów. Celem każdego z tych dwóch projektów – finansowanego w ramach grantu ERBN projektu QuCube oraz projektu QLSI realizowanego w ramach inicjatywy Quantum Technology Flagship – jest dalszy rozwój krzemowych kubitów, który pozwoli na urzeczywistnienie wizji skalowalnych komputerów kwantowych.
Słowa kluczowe
MOS-QUITO, procesor kwantowy, kubit, krzem, CMOS
