Imec berichtet über Fortschritte beim Quantencomputing

Imec hat über die Fortschritte beim Quantencomputing berichtet. Die langfristige Vision für Quantencomputing ist laut Imec die Fähigkeit, Millionen rauschfreier Qubits zu nutzen, um ausgewählte Probleme anzugehen, die mit klassischen Computern schwer zu lösen sind.

Weltweit wird daran gearbeitet, die Zahl der Qubits von Hunderten auf Millionen zu steigern. Zu den häufigsten Herausforderungen gehören die gut kontrollierte Qubit-Integration in Großwafer-Anlagen und der Bedarf an Elektronik, die mit der wachsenden Zahl von Qubits kommunizieren kann.

Als wohl am weitesten entwickelte Plattform haben sich supraleitende Quantenschaltkreise herausgestellt. Die Energiezustände supraleitender Qubits sind relativ einfach zu kontrollieren, und Forscher konnten mehr als hundert Qubits miteinander koppeln.

Dies ermöglicht ein immer höheres Maß an Verschränkung – eine der Säulen des Quantencomputings. Außerdem wurden supraleitende Qubits mit langen Kohärenzzeiten (bis zu mehreren 100 µs) und ausreichend hoher Gate-Wiedergabetreue – zwei wichtige Maßstäbe für Quantenberechnungen – in Laborumgebungen weltweit demonstriert.

Im Jahr 2022 erreichten imec-Forscher einen wichtigen Meilenstein auf dem Weg zur Realisierung eines 300-mm-CMOS-Prozesses zur Herstellung hochwertiger supraleitender Qubits. Der Nachweis, dass die Hochleistungs-Qubit-Herstellung mit industriellen Prozessen kompatibel ist, beseitigt das erste grundlegende Hindernis für die Hochskalierung, nämlich eine verbesserte Variabilität und Ausbeute. Zu den verbleibenden Herausforderungen gehört die Notwendigkeit, skalierbare Instrumente zu entwickeln, um mit der wachsenden Zahl rauschempfindlicher supraleitender Qubits zu kommunizieren.

Längerfristig wird viel von Si-Spin-basierten Qubits erwartet. Si-Spin-Qubits sind schwieriger zu kontrollieren als supraleitende Qubits, aber sie sind deutlich kleiner (nm-Größe vs. mm-Größe) – ein Vorteil für die Hochskalierung.

Darüber hinaus ist die Technologie hochgradig kompatibel mit CMOS-Fertigungstechnologien und bietet Einheitlichkeit im Wafermaßstab mit fortschrittlicher Back-End-of-Line-Verbindung der Si-Quantenpunktstrukturen.

Allerdings weisen Si-basierte Quantenpunktstrukturen, die mit industriellen Fertigungstechniken hergestellt werden, typischerweise ein höheres Ladungsrauschen auf. Ihre geringe physikalische Größe macht auch die Qubit-zu-Qubit- und Qubit-zu-klassische Steuerungsverbindung schwieriger.

Die dringend benötigte Zunahme der Qubits erfordert vielseitige und skalierbare Lösungen, um diese zu steuern und aussagekräftige Ergebnisse auszulesen. In frühen Quantenprozessoren werden heute externe elektronische Schaltkreise mit mindestens einer Steuerleitung pro Qubit verwendet, die von der Raumtemperaturstufe bis zur niedrigsten Temperaturstufe des Verdünnungskühlschranks verläuft, in dem sich die Qubits befinden.

Für supraleitende Quantencomputersysteme beträgt diese Basistemperatur nur zehn Millikelvin (mK). Ein solcher Ansatz kann für bis zu einige tausend Qubits verwendet werden, ist jedoch nicht für große Quantencomputer durchführbar, die dynamische Schaltkreisoperationen wie die Quantenfehlerkorrektur erfordern.

Die Steuer- und Ausleseleitungen tragen nicht nur zu einem massiven I/O-Engpass auf der Ebene des Verdünnungskühlschranks bei, sondern jede Leitung führt auch Wärme in das Kryosystem ein, ohne dass für deren Kühlung ein Budget übrig bleibt.

Eine attraktive Lösung ist der Einsatz CMOS-basierter Kryoelektronik, die HF-(De-)Multiplexelemente enthält, die bei der Grundtemperatur des Verdünnungskühlers arbeiten. Eine solche Lösung verringert den E/A-Engpass, da die Anzahl der Kabel, die von Raum- auf mK-Temperaturen führen, erheblich reduziert werden kann.

Für die Auslesung würden die Multiplexer beispielsweise ermöglichen, dass mehrere Signale einer Gruppe von Quantengeräten bei der Grundtemperatur des Verdünnungskühlschranks auf eine gemeinsame Ausgangsleitung geschaltet werden, bevor sie den Kühlschrank verlassen.

Dieser Ansatz wurde bereits für Si-Spin-Qubit-Quantensysteme demonstriert. Bisher wurde die Kryoelektronik jedoch nicht mit supraleitenden Qubits verbunden, da diese eine deutlich geringere Toleranz gegenüber hochfrequentem elektromagnetischem Rauschen aufweisen. Sei es in Form von Verlustwärme oder elektromagnetischer Strahlung: Rauschen kann fragile Quantenüberlagerungen leicht stören und zu Fehlern führen.

Aus diesem Grund sollte der Stromverbrauch der Multiplexschaltungen sehr niedrig sein und deutlich unter dem Kühlbudget des Verdünnungskühlschranks liegen. Darüber hinaus müssen die Multiplexer über eine gute HF-Leistung verfügen, beispielsweise im Hinblick auf Breitbandbetrieb und Umschalten im Nanosekundenbereich.

Imec hat zum ersten Mal einen Kryo-CMOS-Multiplexer mit extrem geringem Stromverbrauch demonstriert, der bei einer rekordtiefen Temperatur von 10 mK betrieben werden kann. Da das Rauschen und die Verlustleistung ausreichend niedrig sind, konnte der Multiplexer erfolgreich mit hochkohärenten supraleitenden Qubits verbunden werden, um eine Qubit-Steuerung mit einer Genauigkeit einzelner Qubit-Gates von über 99,9 % durchzuführen.

Diese Zahl quantifiziert den Betriebsunterschied zwischen einem idealen Gatter und dem entsprechenden physikalischen Gatter in der Quantenhardware. Sie liegt über der Schwelle für den Beginn von Experimenten wie der Quantenfehlerkorrektur – eine Voraussetzung für die Realisierung praktischer Quantencomputer, die fehlertolerante Ergebnisse liefern können. Die Ergebnisse wurden in Nature Electronics [1] veröffentlicht.

Der Multiplexer-Chip wird bei imec individuell entwickelt und in einer kommerziellen Gießerei unter Verwendung einer 28-nm-Massen-CMOS-Fertigungstechnologie hergestellt. Der rekordverdächtige statische Stromverbrauch von 0,6 µW (bei einer Vorspannung (Vdd) von 0,7 V) wurde dadurch erreicht, dass die leistungsintensivsten Teile einer herkömmlichen Multiplexerschaltung so weit wie möglich eliminiert oder modifiziert wurden.

Der „einfachste“ Weg, den Multiplexer zu betreiben, ist der statische Betriebsmodus, der für die Charakterisierung einzelner Qubits sehr nützlich ist. Allerdings erfordern Operationen, an denen mehr als ein Qubit beteiligt ist – etwa die Quantenfehlerkorrektur oder die groß angelegte Qubit-Steuerung – einen anderen Ansatz, der die gleichzeitige Steuerung mehrerer Qubits innerhalb einer Pulssequenz ermöglicht.

Imec-Forscher entwickelten eine innovative Lösung mit Zeitmultiplexierung der Steuersignale. Dies könnte eine interessante Grundlage für den Aufbau zukünftiger groß angelegter Quantencomputer-Systemarchitekturen bieten.

Vorläufige Experimente zeigen, dass der Multiplexer schnelle dynamische Schaltvorgänge im Nanosekundenbereich durchführen kann und somit in der Lage ist, aktives Zeitmultiplexen durchzuführen, während Signalübersprechen ausreichend unterdrückt wird. Derzeit arbeitet das Team an der Implementierung eines Zwei-Qubit-Gatters, das auf dem Konzept des Zeitmultiplexens basiert.

Die in dieser Arbeit beschriebenen Experimente wurden entwickelt, um durch die Reduzierung der Verkabelungsressourcen zur Entwicklung großer Quantencomputer beizutragen. Sie bringen aber auch Innovationen in den Bereich der Messtechnik.

Während der Experimente wurde die extrem rauscharme Leistung der Multiplexschaltung bei mK-Temperatur erstmals mithilfe der supraleitenden Qubits von imec charakterisiert. Mit anderen Worten: Das supraleitende Qubit kann als hochempfindlicher Rauschsensor verwendet werden, der in der Lage ist, die Leistung von Elektronik zu messen, die bei extrem niedrigen Temperaturen und Rauschregimen arbeitet, die noch nie zuvor erforscht wurden.

Abbildung 1 – Weiterleitung von Mikrowellensignalen mithilfe von Kryo-Multiplexern. a, Standard-HF-Signalführung zur Messung supraleitender Qubits in einem Verdünnungskühlschrank. b, Schema zum Multiplexen der Steuer- und Auslesesignale auf der Basistemperaturstufe eines supraleitenden Quantencomputers. Die erforderlichen HF-Signale können entweder von Raumtemperaturelektronik außerhalb des Verdünnungskühlschranks oder von Kryoelektronik im Inneren erzeugt werden. c, Schematische Darstellung des Kryo-CMOS-Multiplexers. d, Optisches Bild der Leiterplatte, auf die der Kryo-CMOS-Multiplexer drahtgebondet ist. e, Optische Mikroaufnahme des Kryo-CMOS-Multiplexer-Chips (wie in Nature Electronics veröffentlicht).

Si-Spin-Qubits werden durch Halbleiter-Quantenpunktstrukturen definiert, die einen einzelnen Spin eines Elektrons oder Lochs einfangen. Für eine optimale Spin-Qubit-Steuerung muss die Qubit-Umgebung ein geringes Ladungsrauschen aufweisen, die Gate-Elektroden müssen gut definiert sein und zur elektrischen Abstimmbarkeit kleine Abstände aufweisen, und die Spin-Steuerungsstruktur muss für schnelles Antreiben mit geringerer Dephasierung optimiert sein.

Hochpräzise Si-Spin-Qubits wurden wiederholt in Laborumgebungen im Wenig-Qubit-Bereich demonstriert. Techniken zur Verarbeitung der Qubit-Nanostrukturen, wie etwa das Abheben von Metallen, werden sorgfältig ausgewählt, um ein geringes Rauschen in der Qubit-Umgebung zu erreichen.

Diese gut kontrollierten Herstellungstechniken haben jedoch einen gravierenden Nachteil: Sie erschweren eine weitere Skalierung hin zu einer größeren Anzahl von Qubits, da sie nicht die erforderliche Einheitlichkeit im großen Maßstab bieten können – genau der Grund, warum diese Methoden in der gesamten Halbleiterindustrie vor Jahrzehnten aufgegeben wurden.

Industrielle Fertigungstechniken wie subtraktives Ätzen und lithographiebasierte Strukturierung hingegen können eine Einheitlichkeit im Wafermaßstab bieten und den Weg für eine technologische Hochskalierung ebnen. Es wurde jedoch beobachtet, dass sie die Qubit-Umgebung leicht beeinträchtigen.

Darüber hinaus sind Qubit-Geräte wie die eng beieinander liegenden Gate-Elektroden und die Spin-Kontrollstrukturen ebenfalls keine regulären Transistorstrukturen und weichen daher von den typischen Transistor-Roadmaps ab, was eine (kostspielige) Neuentwicklung erfordert.

Um die Geräteoptimierung komplexer zu gestalten, hängt die Qubit-Leistung weitgehend von all diesen Strukturen und von umfassenden Optimierungen des vollständigen Gate-Stacks, des Metallelektrodendesigns und der Spin-Kontrollmodule ab, die für die Qubit-Leistung erforderlich sind.

Dennoch sollte die gesamte Gerätestruktur weiterhin mit den Herstellungsmethoden kompatibel sein, die für fortschrittliche, skalierte Transistoren in kommerziellen Gießereien verwendet werden, um eine faire Chance auf eine Hochskalierung zu gewährleisten.

Bei imec lösen Forscher dieses Rätsel durch sorgfältige Optimierung und Entwicklung des Fab-Qubits in einem modularen Ansatz: Verschiedene Qubit-Elemente werden im Rahmen eines hochmodernen 300-mm-Integrationsflusses separat angesprochen und optimiert, um Vorwärtskompatibilität mit Skalierung sicherzustellen Anforderungen und erfüllt gleichzeitig den Bedarf an dedizierter, nicht standardmäßiger Geräteoptimierung, wie sie in der anspruchsvollen Quantenumgebung erforderlich ist.

Vorläufige Ergebnisse zu optimierten Strukturen sehen vielversprechend aus und unterstreichen die 300-mm-Fabrikintegration als überzeugende Materialplattform für die Ermöglichung hochwertiger Si-basierter Spin-Qubits und Upscaling-Studien.

Die Entwicklungen nutzen die unübertroffene Einheitlichkeit, die CMOS-Herstellungstechniken bieten.

Abbildung 2 – Si-Spin-Qubits, hergestellt mit modernsten 300-mm-Integrationsflüssen.