Möglicher Durchbruch für Hochskalierung Quantencomputer: Supraleitende Qubits auf CMOS-Basis

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Imec hat supraleitende Qubits mit CMOS-kompatiblen Technologien hergestellt. Damit soll ein entscheidender Schritt auf dem Weg zur Hochskalierung der supraleitenden Quantentechnologie gelungen sein.

Imec-Forscher haben supraleitende Qubits mit einer Kohärenzzeit von über 100 µs und einer Gatterzuverlässigkeit von 99,94 % nachgewiesen. Diese Ergebnisse liegen nach eigenen Aussagen auf dem Niveau von State-of-the-Art-Qubits – und sollen zum ersten Mal mit Bausteinen erzielt worden sein, die mit CMOS-kompatiblen Prozesstechniken hergestellt wurden. Obwohl in einer Laborumgebung demonstriert, könnte die beschriebene Fertigungsmethode den Weg für eine gut kontrollierte Qubit-Integration in einer 300-mm-Wafer-Fab ebnen. Die Forscher haben ihre Ergebnisse kürzlich in der Publikation NPJ Quantum Information veröffentlicht.

Die Verheißung supraleitender Qubits

Quantencomputer versprechen dramatische Auswirkungen auf verschiedene Anwendungsbereiche, darunter die Materialsynthese, die Arzneimittelentwicklung und die Cybersicherheit – um nur einige zu nennen.

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Im Konzept der Quantencomputer ist ein Quantenlogikgatter (oder einfach Quantengatter) eine grundlegende Operation für eine kleine Anzahl von Qubits, die einem klassischen Logikgatter bei herkömmlichen digitalen Schaltungen ähnelt. Qubits sind die Bausteine von Quantenschaltungen. Derzeit werden verschiedene Quantencomputerplattformen mit unterschiedlichen Qubits entwickelt, und weltweit wird daran gearbeitet, sie aus dem Forschungsbereich in die Anwendung zu überführen.

Eine der aussichtsreicheren Technologien für das Quantencomputing nutzt supraleitende Schaltkreise. „Die Energieniveaus supraleitender Qubits sind relativ leicht zu kontrollieren“, sagt Anton Potočnik, Forschungsleiter für Quantencomputer bei imec. Die

Forscher hätten im Laufe der Jahre immer mehr Qubits miteinander verbinden können, so dass ein immer höheres Maß an Verschränkung gelungen sei – eine der Säulen des Quantencomputers.

Darüber hinaus hätten Forschergruppen weltweit supraleitende Qubits mit langen Kohärenzzeiten von bis zu mehreren 100 µs und ausreichend hoher Gattertreue nachgewiesen – zwei wichtige Maßstäbe für die Quanteninformatik. Während die Kohärenzzeit Aufschluss darüber gibt, wie lange ein Qubit seinen Quantenzustand (und damit seine Information) beibehält, quantifiziert die Gattertreue den Unterschied im Betriebszustand zwischen einem idealen Gatter und dem entsprechenden physikalischen Gatter in Quantenhardware.

Probleme mit der Variabilität behindern die Implementierung in großem Maßstab

Der Haken: Die beschriebenen, ermutigenden Ergebnisse wurden bisher nur im Labormaßstab erzielt, wobei das kritischste Element, der Josephson-Übergang, durch sogenannte Doppelwinkelverdampfung und Lift-off-Techniken hergestellt wurde. „Das supraleitende Qubit ist im Wesentlichen ein nichtlinearer LC-Resonator, der eine nichtlineare Spule L und einen Kondensator C enthält“, erklärt Potočnik. „Der Josephson-Übergang übernimmt die Rolle einer nicht-linearen, nicht-dissipativen Induktivität, die es uns ermöglicht, die Energiezustände des Qubits zu manipulieren, um beispielsweise eine Überlagerung von 10> und 11> darzustellen.“

Um Energieverluste zu minimieren beziehungsweise die Kohärenzzeit zu maximieren, müssen die verschiedenen Grenzflächen in den Strukturen, aus denen der Übergang und der Kondensator bestehen, so sauber wie möglich sein, führt der Forscher aus. „Schon ein einziger atomarer Defekt an einer der Grenzflächen kann dazu führen, dass das Qubit Energie verliert.“ Aus diesem Grund seien Doppelwinkelverdampfung und Lift-off die bevorzugten Herstellungsverfahren: Sie könnten diese extrem sauberen Grenzflächen herstellen.

Diese Herstellungstechniken haben jedoch einen schwerwiegenden Nachteil: Sie erschweren eine weitere Skalierung auf eine größere Anzahl von Qubits. Eine groß angelegte Implementierung wird nach Angaben der Imec-Forscher durch die Variabilität der Josephsenergie des verdampften Übergangs behindert. Darüber hinaus schränkt die Herstellungstechnik die Wahl des supraleitenden Materials und damit das Potenzial für die Verbesserung der Qubits ein.

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Ein alternativer Ansatz mit CMOS-kompatiblen Fertigungstechniken

Nun hat ein Team am Imec alternative Wege zur Herstellung der supraleitenden Schaltungen erforscht. „Wir haben uns darauf konzentriert, so genannte überlappende Josephson-Übergänge nur mit CMOS-kompatiblen Materialien und Techniken herzustellen“, erklärt Jeroen Verjauw, Doktorant am Imec. Ziel sei es, die Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit moderner CMOS-Verarbeitungsschritte zu nutzen, um die Variabilität zu kontrollieren und die Hochskalierung zu erleichtern.

Überlappende Übergänge haben zwei Elektroden – unten die „Bottom Electrode“ (BE), oben die „Top Electrode“ (TE) – die durch eine dünne Isolierschicht getrennt sind. Die Elektroden werden in zwei Strukturierungszyklen definiert, mit einer Vakuumpause dazwischen. Die Unterbrechung führt zu einem unkontrollierten Wachstum von nativem Metalloxid, das in einem so genannten Ar-Frässchritt entfernt werden muss. „Dieser Ar-Frässchritt ist sehr kritisch und hat in der Vergangenheit zu unerwünschten Energieverlusten geführt“, ergänzt Verjauw.

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Kohärenzzeiten bis zu 100 µs, Gattertreue von 99,94 %

Nun sei ein Durchbruch gelungen: „Wir haben in unserem Labor supraleitende Qubits mit Kohärenzzeiten von mehr als 100 µs und einer durchschnittlichen Gattertreue für ein einzelnes Qubit von 99,94 % nachgewiesen“, sagt Tsvetan Ivanov, der ebenfalls am Imec forscht. Diese Ergebnisse würden mit den besten Bauelementen auf dem Markt vergleichbar sein – seien aber zum ersten Mal mit CMOS-kompatiblen Fertigungstechniken erzielt worden, etwa der modernen Sputter-Deposition und dem subtraktiven Ätzen.

Diese bahnbrechenden Ergebnisse seien durch das Verbessern des bekannten Verfahrens zur Herstellung der Überlappungsverbindungen erzielt worden, erläutert Ivanov. Es sei gelungen, die Anzahl der Prozessschritte und Schnittstellen zu verringern – und damit das Risiko von Energieverlusten. Außerdem konnte der Ar-Frässchritt optimiert werden. Darüber hinaus komme nun ausschließlich Aluminium (Al) zur Herstellung der Elektroden zum Einsatz.

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Die nächsten Schritte: 300-mm-Fertigung, Verlustminimierung und Verbesserung der Reproduzierbarkeit

Die in NPJ Quantum Information beschriebenen Experimente wurden bisher nur in einer Laborumgebung, auf sogenannten Substrat-Coupons, durchgeführt. Die vorgestellte Herstellungsmethode sei jedoch ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zu einem industriellen 300mm CMOS-Prozess für hochwertige supraleitende Qubits, sagt Ivanov: „In Kürze werden wir die Herstellung dieser supraleitenden Schaltkreise in die 300-mm-Fertigung von Imec verlagern. Wir sind gespannt, ob sich die hohen Kohärenzzeiten auf größeren Wafersubstraten reproduzieren lassen.“

Die Versuchsträger habe man so konzipiert, „dass wir untersuchen können, woher die Energieverluste kommen“, erklärt Verjauw. Erste Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Verluste hauptsächlich an der Außenseite der Struktur und nicht auf der Ebene der kritischen Übergänge auftreten. Dies sei ermutigend, da es Raum für Optimierungen durch gezieltere Oberflächenbehandlungsschritte lasse, sagt Verjauw. „Und schließlich bietet unsere Produktionsmethode einen Weg zur Herstellung reproduzierbarer Qubits über eine große Waferfläche mit geringen Schwankungen, beispielsweise bei der Qubitfrequenz.“

Komplexe Problemstellungen lösen

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Es gibt jedoch noch weitere Hindernisse auf dem Weg zu praktischen Quantencomputern auf supraleitender Basis. Potočnik fasst zusammen: „Supraleitende Qubits sind immer noch relativ groß, im Bereiche einiger Millimeter.“ Im Vergleich dazu ließen sich beispielsweise halbleitende Spin-Qubits im Nanometerbereich realisieren. „Wir untersuchen, wie wir die Einheiten verkleinern können.“

Auch auf der Algorithmusseite würden viele Anstrengungen unternommen. „Die Qubits, die wir heute herstellen, sind nicht ideal, so dass von der theoretischen Seite große Anstrengungen unternommen werden, um Algorithmen zu entwickeln, die widerstandsfähiger gegen Datenverluste und Fehler sind, und um Quantenfehlerkorrekturprotokolle zu entwickeln“, sagt Potočnik. Darüber hinaus benötige die Community skalierbare, sehr gut kalibrierte Instrumente, um die wachsende Zahl supraleitender Qubits anzukoppeln, sie zu kontrollieren und aussagekräftige Ergebnisse auszulesen.

Fazit und Ausblick

Kristiaan De Greve, Programmdirektor für Quanteninformatik am Imec, sieht diese Arbeit von Anton, Tsvetan, Jeroen und ihren Mitarbeitern als einen entscheidenden Meilenstein auf dem Weg zur Überwindung grundlegender Hindernisse für die Hochskalierung supraleitender Qubits. Maßgeblich dafür seien die Kontroll- und Genauigkeitsvorteile industrieller Standardverarbeitungsmethoden: „Da für die Quantenprozessoren der Zukunft wahrscheinlich viele Tausende bis Millionen physikalischer Qubits benötigt werden, ist die Überwindung von Beschränkungen aufgrund von Variabilität und geringer Ausbeute entscheidend.“ Das Imec investiere daher in erheblichem Umfang in das Studium und die Bewertung dieser Beschränkungen und die Einführung neuer Lösungen, die auch die eigene Erfahrung in der hochentwickelten Prozesskontrolle nutzen würde.

Danny Wan, Programmmanager für Quantencomputing am Imec, fügt hinzu: „Im Rahmen des imec-Programms zum Quantencomputing haben sich unsere Wissenschaftler der Herausforderung gestellt, das Quantencomputing – sowohl halbleitend als auch supraleitend – aus dem Labor in die praktische Anwendung zu bringen.“ Die nun in NPJ Quantum Information beschriebenen Forschungsergebnisse seien äußerst ermutigend und würden bestätigen, „dass wir bei der Verfolgung unserer Ziele auf dem richtigen Weg sind“.

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