Os computadores quânticos prometem afetar drasticamente campos de aplicação selecionados, incluindo síntese de materiais, desenvolvimento de medicamentos farmacêuticos e segurança cibernética – para citar alguns.
No modelo de computação de circuito quântico, uma porta lógica quântica (ou simplesmente porta quântica) é uma operação básica em um pequeno número de qubits, que é análoga a uma porta lógica clássica para circuitos digitais convencionais. Qubits são os blocos de construção dos circuitos quânticos. Diferentes plataformas de computação quântica com diversos tipos de qubits estão sendo desenvolvidas e esforços mundiais estão em andamento para trazê-los do laboratório para o mundo.

Uma das tecnologias promissoras para a computação quântica faz uso de circuitos supercondutores. Anton Potočnik, pesquisador sênior em computação quântica do IMEC, diz:"Os estados de energia dos qubits supercondutores são relativamente fáceis de controlar e, ao longo dos anos, os pesquisadores conseguiram acoplar um número crescente de qubits. nível mais alto de emaranhamento - que é um dos pilares da computação quântica. Além disso, grupos de pesquisa em todo o mundo demonstraram qubits supercondutores com longos tempos de coerência (até vários 100 µs) e fidelidades de porta suficientemente altas - duas referências importantes para a computação quântica ."

Enquanto o tempo de coerência nos dá informações sobre quanto tempo um qubit retém seu estado quântico (e, portanto, suas informações), a fidelidade do portão quantifica a diferença na operação entre um portão ideal e o portão físico correspondente no hardware quântico.

Implementação em grande escala prejudicada por problemas de variabilidade

Os resultados encorajadores mencionados acima só foram obtidos até agora em escala de laboratório, usando técnicas de evaporação e decolagem de ângulo duplo para fazer o elemento mais crítico:a junção Josephson. "O qubit supercondutor é essencialmente um circuito ressonador LC não linear, contendo um indutor não linear (L) e um capacitor (C)", explica Anton Potočnik.

"A junção Josephson assume o papel de um indutor não linear e não dissipador, que nos permite manipular estados de energia qubit para representar, por exemplo, uma superposição de 10> e 11>. Para minimizar quaisquer perdas de energia ou, em Ou seja, maximizar o tempo de coerência, as várias interfaces contidas nas estruturas que compõem a junção e o capacitor devem estar o mais limpas possível. Mesmo um defeito atômico presente em uma das interfaces pode fazer com que o qubit perca energia. E é por isso que a evaporação de ângulo duplo e a decolagem são as técnicas de fabricação preferidas:elas podem fornecer essas interfaces extremamente limpas."

Mas essas técnicas de fabricação têm uma séria desvantagem:elas desafiam um aumento de escala para um número maior de qubits. A implementação em larga escala é dificultada pela variabilidade na energia de Josephson da junção evaporada. Além disso, a técnica de fabricação limita a escolha do material supercondutor e, portanto, o potencial de melhoria do qubit.

Uma abordagem alternativa usando técnicas de fabricação compatíveis com CMOS

Jeroen Verjauw, Ph.D. pesquisador do IMEC, diz:"Nossa equipe do IMEC explorou formas alternativas de fabricar os circuitos supercondutores. Nosso foco era criar as chamadas junções Josephson de sobreposição usando apenas materiais e técnicas compatíveis com CMOS, pois isso permite alavancar a confiabilidade e a reprodutibilidade oferecidas por etapas de processamento CMOS de última geração para controlar a variabilidade e facilitar o upscaling."

As junções de sobreposição possuem dois eletrodos (inferior (BE) e superior (TE)) separados por uma fina camada isolante. Os eletrodos são definidos em dois ciclos de padronização, com uma quebra de vácuo entre eles. A quebra introduz o crescimento descontrolado de óxido de metal nativo, que deve ser removido durante a chamada etapa de moagem Ar. "No entanto, esta etapa de fresagem de ar é conhecida por ser muito crítica e já foi relatada por introduzir perdas de energia indesejadas", acrescenta Jeroen Verjauw.

Tempos de coerência de até 100 µs, fidelidade de porta de 99,94%

Tsvetan Ivanov, pesquisador do IMEC, diz:"Nós demonstramos em nosso laboratório qubits supercondutores com tempos de coerência superiores a 100 µs e uma fidelidade média de porta de qubit único de 99,94%. Esses resultados são comparáveis ​​com dispositivos de última geração, mas, pela primeira vez, foram obtidos usando técnicas de fabricação compatíveis com CMOS - como deposição de sputtering de última geração e corrosão subtrativa. Esses resultados inovadores podem ser alcançados melhorando o processo conhecido para fazer as junções de sobreposição. As melhorias incluem a otimização do processo para reduzir o número de etapas e interfaces do processo (e, portanto, o risco de perdas de energia), uma etapa de moagem de Ar aprimorada e o uso exclusivo de alumínio (Al) para fazer os eletrodos."

Os próximos passos:fabricação de 300 mm, reduzindo as perdas e abordando a reprodutibilidade

Nossos experimentos descritos no NPJ Quantum Information até agora só foram realizados em ambiente de laboratório, em cupons de substrato. Tsvetan Ivanov:"Ainda assim, o método de fabricação apresentado anuncia um marco importante em direção a um processo CMOS de 300 mm fabricável para qubits supercondutores de alta qualidade. Em breve, transferiremos a fabricação desses circuitos supercondutores para a fábrica de 300 mm da IMEC. Estamos ansiosos para verificar se o altos tempos de coerência podem ser reproduzidos em substratos de wafer maiores."

Jeroen Verjauw:"Além disso, projetamos nossos veículos de teste para que possamos estudar de onde vêm as perdas de energia. Os primeiros resultados indicaram que as perdas ocorrem principalmente na superfície externa da estrutura e não no nível crítico de junção. Isso é encorajador, pois deixa espaço para otimização aplicando etapas de tratamento de superfície mais dedicadas. E, finalmente, nosso método de fabricação fornece um caminho para a fabricação de qubits reprodutíveis em uma grande área de wafer, com baixa variação, por exemplo, na frequência de qubits."

No entanto, existem outros obstáculos no caminho para computadores quânticos práticos baseados em supercondutores. Anton Potočnik conclui:"Os qubits supercondutores ainda são relativamente grandes (tamanho mm) comparados, por exemplo, aos qubits spin semicondutores (tamanho nm). Investigamos como podemos reduzir ainda mais os dispositivos. Muitos esforços também estão em andamento no lado algorítmico. os qubits que fazemos hoje não são ideais, então há um grande esforço do lado teórico para desenvolver algoritmos que sejam mais resilientes a perdas e erros e desenvolver protocolos de correção de erros quânticos. Além disso, nossa comunidade precisará escalável, instrumentação muito bem calibrada para interagir com o crescente número de qubits supercondutores, para controlá-los e ler resultados significativos."

Conclusão e perspectivas

Kristiaan De Greve, diretora do programa de computação quântica do IMEC, vê este trabalho de Anton, Tsvetan, Jeroen e seus colegas de trabalho como um marco crucial para superar as barreiras fundamentais ao aumento de qubits supercondutores em virtude dos benefícios de controle e precisão da indústria. métodos de processamento padrão:"Como muitos milhares a milhões de qubits físicos provavelmente serão necessários para os processadores quânticos do futuro, superar limitações devido à variabilidade e baixo rendimento será crucial. soluções que alavancam nossa experiência em controle avançado de processos."

Danny Wan, gerente de programa de computação quântica do IMEC, acrescenta:"Dentro do programa do IMEC sobre computação quântica, nossos cientistas estabeleceram o desafio de trazer a computação quântica (baseada em semicondutora e supercondutora) do laboratório para o mundo. Resultados conforme descrito no NPJ As informações quânticas são extremamente encorajadoras e confirmam que estamos no caminho certo para cumprir nossa missão."

O estudo foi publicado em npj Quantum Information . + Explorar mais

Um qubit supercondutor alternativo alcança alto desempenho para computação quântica