ベルギーの研究者が量子ビットの工業生産に向けて動き出す

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Imec の量子コンピューティング プログラムのエンジニア、シャナ マサール氏は次のように述べています。「量子コンピューターの目標は、日常業務を実行するためにすでに知られている古典的なコンピューターを置き換えることではありません。非常に特殊な一連の問題、つまり以前から存在している問題に対して量子コンピューターが必要です。高度な複雑さ。」

量子コンピューティングのユースケースの一例は、最適化問題の解決です。 もう 1 つは分子システムのシミュレーションです。 これは、材料科学をより深く理解するために行うことができ、また、新薬の発見を助けるために行うこともできます。

量子コンピューターでは、情報は古典的なコンピューターとは根本的に異なる方法で操作されます。 古典的なコンピューターでは、論理要素はビットであり、0 または 1 の 2 つの状態のいずれかを取ることができます。 量子コンピューターでは、論理要素は量子ビット (量子ビット) であり、初期化、操作、読み取りが可能なコヒーレントな 2 レベルのシステムとして定義されます。

「ビットの状態を見ると、その状態は 0 か 1 のいずれかであり、これは決定論的な測定につながりますが、量子ビットには状態の重ね合わせがあります」とマサール氏は言います。

「これはゼロと 1 を同時に線形結合したものです。しかし、読み出した後は、特定の確率に従ってゼロか 1 のいずれかになります。これが確率的な測定につながります。」

「量子コンピューターにはエンタングルメントという別の機能があります。古典的なビット状態は互いに独立しているため、N ビットが N 状態を保存するという事実につながります。しかし、量子ビットはエンタングルすることができます。それらは結合することができます。つまり、N 量子ビットが処理できるということです」 「ある意味、最大 2 の N 乗の状態です。論理演算をこれらすべての状態に同時に適用すると、大規模な並列化と非常に高い計算能力が得られます。」

しかし、誰かが信頼性の高い量子ビットを再現可能な方法で生成する方法を見つけない限り、量子コンピューティングのこれらの約束はいずれも実現しません。 量子ビットは現在、カスタマイズされた方法で研究室に実装されていますが、Imec の研究者はそれを変更したいと考えています。 彼らは量子ビットを工業規模で生産する方法を探し始めています。

「100万量子ビットシステム、あるいは単なる意味のある量子コンピュータを構築するには、忠実度と一貫性を維持しながら、量子ビットのばらつきを低減し、生産歩留まりを高める必要があります」と量子の科学ディレクター兼プログラムディレクターのクリスティアン・デ・グレーブ氏は言う。アイメックのコンピューティング。

「世界最高の研究機関のいくつかが使用している方法では、おそらく最後まで進めることはできないでしょう。私たちは別のアプローチをとっており、半導体業界の既存のツールを使用できるかどうかを検討しています。ばらつきが少なく、歩留まりが高い、非常に複雑な回路を作成しました。」

量子ビットの実装には、量子光学、トラップされたイオン、磁気共鳴、超伝導体、ダイヤモンドの窒素空孔、量子ドットなど、いくつかの異なるアプローチがあります。 Imec の研究者は、超電導デバイスと半導体量子ドットという 2 つの技術に焦点を当てています。

これらの選択の理由の 1 つは、Imec がこれらのテクノロジーを高品質の量子ビットを作成する有望な方法とみなしているためです。 しかし、2 番目の理由 (Imec の最大の理由) は、これら 2 つの技術の量子ビットが、Imec が持つ非常に高品質な施設である相補型金属酸化物半導体 (CMOS) 施設と一次互換性のある方法で製造できることです。

どちらのアプローチでも、非常に低い温度で動作するという課題があります。 このため、Imec は極低温で動作するエレクトロニクスであるクライオエレクトロニクスの研究も行っています。

Imec は、プログラマーが量子ビットをセットアップしてプログラムを実行し、その結果を読み取ることを可能にする、適切で安定した量子ビットと量子ビット アレイを必要な電子インターフェイスとともに構築することを目指しています。

最適な製造技術を発見するために、Imec は研究プロセスを確立しました。そこでは、量子ビットを製造するためにさまざまな材料、アーキテクチャ、および製造技術を試し、その結果をテストしてどの技術が最も効果的かを測定します。

研究の最初の段階は設計段階であり、専門家チームがシミュレーションを実行して、さまざまな材料と必要な寸法を考慮して最適な設計を見つけます。 設計フェーズが完了すると、第 2 フェーズである製造フェーズに移行します。このフェーズでは、他のシミュレーションを実行して量子ビットを作成する最適な方法を見つけ、最も正確なプロセス フローと最適な設定とレシピを決定することから始まります。

Imec はその後、工場内でサンプルを処理し、インライン特性評価を使用してさまざまな処理ステップを注意深く監視します。 サンプルの作製が成功すると、最終段階である極低温特性評価または低温特性評価に進みます。

最終的には、ダイ、サブダイ、チップが詰まったウェハをサンプルホルダーに取り付けて冷蔵庫に入れ、非常に低い温度で測定します。 温度はわずか数千分の 1 ケルビンまで下がり、宇宙空間よりもはるかに低くなります。 Imec の研究者は、クライオ測定を使用して量子ビットのパフォーマンスと特性を抽出し、特定の設計と製造プロセスがどの程度うまく機能するかを評価します。

「私たちは現在、デバイスの製造に研究を集中しており、さまざまなゲートスタック材料とパターニング技術を研究しています」とマサール氏は言う。 「私たちはさまざまな基板材料や形成レシピも調査しています。また、プロセスの全体的な熱収支と、それが量子ビットの品質に与える影響も調べています。

「同時に、私たちは量子ビットの制御と設計にも取り組んでいます。私たちはデバイスの設計、量子ビットの制御デバイス、および測定セットアップの品質を改善しています。一例として、過去数か月間、私たちはは、測定セットアップにおける電磁ノイズの低減に取り組んでおり、これにより量子ビット読み取りの品質が向上しました。

「その一方で、私たちは特性評価セットアップの品質にも注目しています。私たちは量子ビットの読み取りを改善し、測定の量と各測定の品質の両方の点でセットアップを改善したいと考えています。」

imecは大きな進歩を遂げました。 昨年、同社は高コヒーレンス超伝導量子ビットを製造するためのファブ互換プロセスを実証し、現在そのプロセスを研究室からファブに移管している。 これにより、研究者らは、コヒーレンスが高くばらつきの少ないファブ量子ビットを製造する新たな可能性を切り開くことを期待している。

知るか？ おそらく、いつかこれが 100 万量子ビットの量子コンピューターにつながるでしょう。