Intel en QuTech leveren eerste industrieel geproduceerde qubit
Ingenieurs van Intel en wetenschappers van QuTech hebben de eerste qubit afgeleverd die is gemaakt in dezelfde industriële productiefaciliteiten waar conventionele computerchips in massaproductie worden vervaardigd. Deze vooruitgang is een doelstelling die al langer bestond, vanwege de belofte van schaalbaarheid. De doorbraak is een cruciale stap op weg naar de duizenden qubits die nodig zijn voor praktische quantumberekeningen. De onderzoekers publiceerden hun resultaten in Nature Electronics (DOI).
De productie van een schaalbare quantumcomputer kent een aantal grote hindernissen en het vinden van een geschikt type qubit is er daar één van. Eén veelbelovende qubit-kandidaat is gebaseerd op de spin van een paar elektronen die worden gevangen in een silicium nanodevice. Een groot voordeel van zo'n device is de overeenkomst met conventionele transistors. De verwachting was dan ook dat de uitgebreide kennis en kunde van de halfgeleiderindustrie zou kunnen worden benut om qubit-devices te produceren met een ongekende opbrengst, hoge uniformiteit en weinig defecten.
Van flexibele cleanrooms naar strakke fabrieken
Momenteel worden halfgeleider-qubit-chips doorgaans gefabriceerd in cleanrooms met hulpmiddelen die geoptimaliseerd zijn voor flexibele ontwerpwijzigingen en een snelle doorlooptijd, maar afbreuk doen aan betrouwbaarheid. Industriële halfgeleiderfabricage daarentegen is uiterst betrouwbaar, maar is gebonden aan strikte ontwerpregels. Belangrijke open vragen waren of de ontwerpspecificaties voor de qubits wel haalbaar waren binnen de ontwerpregels en of de qubits de procescondities zouden overleven om een extreem hoge opbrengst te bereiken.
Experimenten op grote schaal
"Industriële productietechnieken zijn anders dan de technieken die meestal worden gebruikt om zulke quantum dot-samples te fabriceren," zegt Anne-Marije, eerste auteur en PhD-onderzoeker bij QuTech — een samenwerking tussen de TU Delft en TNO. "Het is alsof we eerst met kalligrafie schreven en nu zijn overgestapt op een stencilmachine. De eerste geeft meer flexibiliteit, de tweede geeft een aanzienlijke verbetering in opbrengst en uniformiteit. In plaats van 20 apparaten tegelijk te maken, levert een fabricageronde ons nu tienduizenden apparaten op, zodat we de op grotere schaal eigenschappen van de apparaten in kaart kunnen brengen. Bovendien behoren belangrijke qubit-eigenschappen, zoals de levensduur, tot de beste die ooit bij dit soort qubits zijn gemeten.
De voordelen van halfgeleider-qubits
"In veel wetenschappelijke artikelen staat: halfgeleider-spin-qubits in silicium zijn geschikt voor CMOS-halfgeleiderfabricage. Maar pas nu hebben we bewezen dat dat ook echt waar is," voegt hoofdwetenschapper bij QuTech Lieven Vandersypen toe. "Bovendien", zegt hij, "behaalde het Intel-team een ongeëvenaard rendement van 98%, vergeleken met de 50% op een goede dag in onze academische cleanroom."
Qubits in halfgeleider quantum dots
Het type quantuminformatie dat deze qubit maakt, is de elektronenspin. Het elektron zit gevangen in een "doosje", dat wordt gevormd door een potentiaalput in een energielandschap, dat ook wel een quantumdot wordt genoemd. Het energielandschap wordt geproduceerd door een combinatie van materiaaleigenschappen (vergelijkbaar met die van een conventionele transistor: silicium/siliciumoxide-grensvlak) en elektrische velden. Op deze wijze is het mogelijk één enkel elektron in de quantum dot te isoleren en aan te sturen, en volledige controle te hebben over zijn spin.
Volgende stappen
De industriële fabricage van een enkelvoudig qubit device is nu een feit. Tegelijkertijd wordt gewerkt aan de beheersing van meervoudige spin-qubits en de verbetering van de kwaliteit van de qubitcontrole. Gecombineerd zullen deze vorderingen een solide basis vormen om quantumcomputer op grote schaal te realiseren waarin miljoenen qubits zijn geïntegreerd.
Publicatiedetails
Zwerver et al., Nature Electronics (2022) Qubits made by advanced semiconductor manufacturing (DOI)