Forscher in Belgien streben die industrielle Produktion von Qubits an

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Shana Massar, Ingenieurin im Quantencomputerprogramm bei Imec, erklärt: „Das Ziel von Quantencomputern besteht nicht darin, unsere bereits bekannten klassischen Computer für die Ausführung unserer täglichen Aufgaben zu ersetzen. Wir brauchen Quantencomputer für eine ganz bestimmte Reihe von Problemen, Probleme, die es gibt.“ ein hohes Maß an Komplexität.

Ein Beispiel für einen Anwendungsfall für Quantencomputing ist die Lösung von Optimierungsproblemen; ein anderer ist die Simulation molekularer Systeme. Dies kann getan werden, um ein besseres Verständnis der Materialwissenschaften zu erlangen, und kann auch dazu dienen, bei der Entdeckung neuer Medikamente zu helfen.

In einem Quantencomputer werden Informationen grundsätzlich anders manipuliert als in einem klassischen Computer. In einem klassischen Computer ist das Logikelement ein Bit, das einen von zwei Zuständen annehmen kann: Null oder Eins. In einem Quantencomputer ist das Logikelement ein Qubit oder Quantenbit, das als jedes kohärente Zweiebenensystem definiert ist, das initialisiert, manipuliert und gelesen werden kann.

„Wenn ich mir den Zustand eines Bits ansehe, ist der Zustand entweder Null oder Eins und dies führt zu einer deterministischen Messung, während das Qubit eine Zustandsüberlagerung aufweist“, sagt Massar.

„Es ist eine lineare Kombination von Null und Eins gleichzeitig. Aber nach dem Auslesen ist es entweder Null oder Eins zusammen mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit – und das führt zu einer probabilistischen Messung.“

„Der Quantencomputer hat noch ein weiteres Merkmal: die Verschränkung. Die klassischen Bitzustände sind unabhängig voneinander, was dazu führt, dass N Bits N Zustände speichern. Aber Qubits können verschränkt sein. Sie können gekoppelt sein, was bedeutet, dass N Qubits „verarbeiten“ können „in gewissem Sinne bis zu zwei hoch N Zustände. Wenn wir eine logische Operation auf alle diese Zustände gleichzeitig anwenden, erhalten wir eine massive Parallelisierung und eine sehr hohe Rechenleistung.“

Aber keines dieser Versprechen des Quantencomputings wird jemals in Erfüllung gehen, bis jemand einen Weg findet, zuverlässige Qubits auf wiederholbare Weise herzustellen. Qubits werden derzeit in Laboren auf maßgeschneiderte Weise implementiert, aber die Forscher von Imec möchten das ändern. Sie haben begonnen, nach Möglichkeiten zu suchen, Qubits im industriellen Maßstab herzustellen.

„Um ein 1-Millionen-Qubit-System oder einfach nur einen sinnvollen Quantencomputer zu bauen, muss man die Qubit-Variabilität reduzieren und die Produktionsausbeute erhöhen, während gleichzeitig die Genauigkeit und Kohärenz erhalten bleibt“, sagt Kristiaan De Greve, wissenschaftlicher Direktor und Programmdirektor von Quantum Informatik bei Imec.

„Die Methoden, die einige der besten Forschungslabore der Welt verwendet haben, werden es Ihnen wahrscheinlich nicht ermöglichen, den ganzen Weg zu gehen. Wir verfolgen einen anderen Ansatz und versuchen herauszufinden, ob wir vorhandene Werkzeuge aus der Halbleiterindustrie nutzen können, wo sie vorhanden sind.“ haben sehr komplexe Schaltkreise mit geringer Variabilität und hoher Ausbeute hergestellt.“

Es gibt verschiedene Ansätze zur Implementierung von Qubits: Quantenoptik, eingefangene Ionen, Magnetresonanz, Supraleiter, Stickstofffehlstellen in Diamant und Quantenpunkte. Die Forscher am Imec konzentrieren sich auf zwei Technologien – die supraleitenden Bauelemente und die Halbleiter-Quantenpunkte.

Ein Grund für diese Entscheidungen ist, dass Imec diese Technologien als vielversprechende Möglichkeiten zur Herstellung hochwertiger Qubits ansieht. Aber der zweite Grund – der wichtigste Grund für Imec – ist, dass Qubits in diesen beiden Technologien auf eine Weise hergestellt werden können, die erster Ordnung mit komplementären Metalloxid-Halbleiter-Anlagen (CMOS) kompatibel ist, Anlagen, über die Imec in sehr hoher Qualität verfügt.

Eine Herausforderung bei beiden Ansätzen besteht darin, dass sie bei sehr niedrigen Temperaturen arbeiten. Aus diesem Grund forscht Imec auch im Bereich Kryoelektronik, also Elektronik, die bei sehr niedrigen Temperaturen arbeiten kann.

Ziel von Imec ist es, geeignete und stabile Qubits und Qubit-Arrays zusammen mit den notwendigen elektronischen Schnittstellen zu bauen, die es Programmierern ermöglichen, die Qubits für die Ausführung eines Programms einzurichten und dann die Ergebnisse auszulesen.

Um optimale Produktionstechniken zu entdecken, hat Imec einen Forschungsprozess eingerichtet, bei dem verschiedene Materialien, Architekturen und Produktionstechniken zur Herstellung von Qubits ausprobiert und anschließend die Ergebnisse getestet werden, um zu messen, welche Techniken am besten funktionieren.

Die erste Forschungsphase ist die Entwurfsphase, in der ein Expertenteam Simulationen durchführt, um unter Berücksichtigung verschiedener Materialien und erforderlicher Abmessungen das beste Design zu finden. Wenn die Entwurfsphase abgeschlossen ist, gehen sie zur zweiten Phase über, der Herstellungsphase, die mit der Durchführung weiterer Simulationen beginnt, um optimale Wege zur Erstellung der Qubits zu finden und den genauesten Prozessablauf sowie die besten Einstellungen und Rezepte zu bestimmen.

Anschließend verarbeitet Imec seine Probe in der Fabrik und überwacht die verschiedenen Verarbeitungsschritte mithilfe der Inline-Charakterisierung genau. Wenn die Herstellung der Proben erfolgreich ist, geht es mit der letzten Phase weiter – der Kryo-Charakterisierung oder der Charakterisierung bei niedriger Temperatur.

Am Ende erhalten sie einen Wafer voller Dies, Sub-Dies und Chips, den sie auf einem Probenhalter montieren, um ihn für Messungen bei sehr niedrigen Temperaturen in einen Kühlschrank zu stellen. Die Temperaturen sinken auf nur wenige Tausendstel Kelvin, was viel kühler ist als im Weltraum. Anhand der Kryomessungen extrahieren Imec-Forscher die Leistung und Eigenschaften von Qubits und bewerten, wie gut ein bestimmter Design- und Herstellungsprozess funktioniert.

„Wir konzentrieren unsere Forschung derzeit auf die Herstellung von Bauelementen und untersuchen verschiedene Gate-Stack-Materialien und Strukturierungstechnologien“, sagt Massar. „Wir untersuchen auch verschiedene Substratmaterialien und Formationsrezepte. Und wir betrachten das gesamte Wärmebudget unserer Prozesse und die Auswirkungen, die es auf die Qubit-Qualität hat.“

„Gleichzeitig arbeiten wir an der Steuerung und dem Design des Qubits. Wir verbessern das Design unserer Geräte, die Steuerungsgeräte des Qubits und die Qualität des Messaufbaus. In den letzten Monaten haben wir beispielsweise haben daran gearbeitet, das elektromagnetische Rauschen in unserem Messaufbau zu verringern. Dies führt zu einer besseren Qualität der Qubit-Messung.

„Am anderen Ende schauen wir uns auch die Qualität des Charakterisierungsaufbaus an. Wir wollen das Qubit-Lesen verbessern und auch unseren Aufbau sowohl hinsichtlich der Quantität der Messungen als auch der Qualität jeder Messung verbessern.“

Imec hat große Fortschritte gemacht. Letztes Jahr wurde ein fabrikkompatibler Prozess zur Herstellung hochkohärenter supraleitender Qubits demonstriert und nun wird der Prozess vom Labor in die Fabrik übertragen. Dadurch hoffen sie, neue Möglichkeiten für die Herstellung von Fab-Qubits mit hoher Kohärenz und geringer Variabilität zu eröffnen.

Wer weiß? Vielleicht wird daraus eines Tages ein Quantencomputer mit einer Million Qubits entstehen.