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从实验室到晶圆厂:新的制造方法显示出量子计算规模化的前景

2021年1月20日通过杰克赫兹

使用晶体管作为QGBits，研究人员在铸造制造的硅中实现了单电子操作 - 在量子计算制造中的潜在突破。

尽管基于旋转的量子计算机已经开发出小尺度在这一点上，他们只在受控，干净，学术环境中制造。这是目前需要克服的障碍之一，以便使量子计算机可行和可扩展。

IBM Q系统1

IBM Q系统一号在它自己的无菌，隔离室里。图片由IBM和《福布斯》

为了解决这个问题，哥本哈根大学的研究人员和法国CEA-Leti集团的合作伙伴一直在一起研究一种在工业环境中制造电子自旋量子计算机的新方法。

硅中的单电子控制

一个量子位，这是一个量子力学的经典计算机位，可以通过多种不同的方式实现，包括光子的极化，离子的离散能级，以及电子的自旋。近年来，人们对基于自旋的量子位产生了浓厚的兴趣，电子的自旋极化编码了量子位的“1”或“0”位值。

基于旋转的Qubits编码基于电子（或孔）旋转的数据

基于旋转的Qubits基于电子（或孔）旋转的数据编码数据。图片由Baldovi et al。

基于自旋的量子位之所以如此有趣，其中一个主要原因是它们与他们的环境略微致力于，这意味着它们不容易受到外部噪音的影响。

实现基于旋转的Qubits

在古典电子设备中，您不能简单地控制单个电子的旋转。调用此问题的解决方案量子点，这是可以运输电子的人造纳米级晶体。

在这种情况下，量子点可以被认为是一种将电子限制在一个非常小的区域的手段，以至于它们开始表现为单个原子。不幸的是，由于硅中电子的有效质量过大，在硅中实现这一技术受到了极大的阻碍，1.08与孔0.57相反。

Quantum Dot启用的旋转Qubits

在他们的文章中发表自然，研究人员已经示出了一种方式实现硅中的Quantum Dot启用的旋转Qubits。研究人员能够使用传统的基于硅晶体管的制造技术来证明“一个完全由300毫米晶圆铸造厂工艺制造的2 × 2裂门硅器件的所有四个量子点上都有单电子。”

a)器件制造的SEM图像。b）器件原理图

a)器件制造的SEM图像。b)装置示意图。图片由Ansaloni等人。

他们的技术需要一种结构，由一个无掺杂的硅通道，连接到一个高掺杂的源极和漏极。金属多晶硅门部分重叠通道，诱导具有可控数量电子的量子点。该技术允许每个点控制一个电子，使用栅极电压脉冲技术进行测量和“单次电荷”技术执行读数使用射频反射测量。

这项研究的一个重要方面是能够实现二维量子位数组。将量子位引入第二维，意味着每个量子位都可以相互作用，这对量子计算中的错误修正很重要。

为可扩展的量子计算打开大门

这项研究可能代表了量子计算领域的一些重要成就。

首先，通过验证基于硅的方案，该研究引入了可铸造制造量子计算机的可能性，这是受控学术环境的一大进步。这就为这些计算机的大规模生产提供了可能。除此之外，这项研究还使二维量子位阵列成为现实，这是未来量子计算的另一个必要条件。