I computer quantistici promettono di influenzare notevolmente campi di applicazione selezionati, tra cui la sintesi di materiali, lo sviluppo di farmaci e la sicurezza informatica, solo per citarne alcuni.

Nel modello di calcolo del circuito quantistico, una porta logica quantistica (o semplicemente porta quantistica) è un'operazione di base su un piccolo numero di qubit, che è analoga a una porta logica classica per i circuiti digitali convenzionali. I qubit sono gli elementi costitutivi dei circuiti quantistici. Sono in fase di sviluppo diverse piattaforme di calcolo quantistico con diversi tipi di qubit e sono in corso sforzi in tutto il mondo per portarli dal laboratorio al mondo.

Una delle tecnologie promettenti per il calcolo quantistico fa uso di circuiti superconduttori. Anton Potočnik, ricercatore senior in informatica quantistica presso IMEC, afferma:"Gli stati energetici dei qubit superconduttori sono relativamente facili da controllare e, nel corso degli anni, i ricercatori sono stati in grado di accoppiare un numero crescente di qubit insieme. Ciò consente un continuo livello di entanglement più elevato, che è uno dei pilastri dell'informatica quantistica. Inoltre, gruppi di ricerca in tutto il mondo hanno dimostrato qubit superconduttori con tempi di coerenza lunghi (fino a diversi 100 µs) e fedeltà di gate sufficientemente elevate, due importanti parametri di riferimento per il calcolo quantistico ."

Mentre il tempo di coerenza ci fornisce informazioni su quanto tempo un qubit conserva il suo stato quantistico (e quindi le sue informazioni), la fedeltà del gate quantifica la differenza di funzionamento tra un gate ideale e il gate fisico corrispondente nell'hardware quantistico.

Implementazione su larga scala ostacolata da problemi di variabilità

I risultati incoraggianti sopra menzionati sono stati finora ottenuti solo su scala di laboratorio, utilizzando tecniche di evaporazione e sollevamento a doppio angolo per realizzare l'elemento più critico:la giunzione Josephson. "Il qubit superconduttore è essenzialmente un circuito risonatore LC non lineare, contenente un induttore non lineare (L) e un condensatore (C)", spiega Anton Potočnik.

"La giunzione Josephson assume il ruolo di un induttore non lineare e non dissipante, che ci consente di manipolare gli stati energetici dei qubit per rappresentare, ad esempio, una sovrapposizione di 10> e 11>. Per ridurre al minimo eventuali perdite di energia o, in in altre parole, massimizzare il tempo di coerenza, le varie interfacce contenute nelle strutture che compongono la giunzione e il condensatore devono essere il più pulite possibile.Anche un difetto atomico presente su una delle interfacce può causare la perdita di energia del qubit.Ecco perché l'evaporazione a doppio angolo e il sollevamento sono le tecniche di fabbricazione preferite:possono fornire queste interfacce estremamente pulite".

Ma queste tecniche di fabbricazione hanno un grave svantaggio:sfidano un ulteriore upscaling verso un numero maggiore di qubit. L'implementazione su larga scala è ostacolata dalla variabilità dell'energia Josephson della giunzione evaporata. Inoltre, la tecnica di fabbricazione limita la scelta del materiale superconduttore e, di conseguenza, il potenziale di miglioramento dei qubit.

Un approccio alternativo che utilizza tecniche di fabbricazione compatibili con CMOS

Jeroen Verjauw, Ph.D. ricercatore presso IMEC, afferma:"Il nostro team presso IMEC ha esplorato modi alternativi per fabbricare i circuiti superconduttori. Il nostro obiettivo era creare le cosiddette giunzioni Josephson sovrapposte utilizzando solo materiali e tecniche compatibili con CMOS, poiché ciò consente di sfruttare l'affidabilità e la riproducibilità offerte da fasi di elaborazione CMOS all'avanguardia per controllare la variabilità e facilitare l'upscaling."

Le giunzioni sovrapposte hanno due elettrodi (inferiore (BE) e superiore (TE)) separati da un sottile strato isolante. Gli elettrodi sono definiti in due cicli di modellazione, con una pausa di vuoto nel mezzo. La rottura introduce una crescita incontrollata di ossido di metallo nativo, che deve essere rimosso durante una cosiddetta fase di Ar-milling. "Questa fase di fresatura è tuttavia nota per essere molto critica ed è stato precedentemente segnalato per introdurre perdite di energia indesiderate", aggiunge Jeroen Verjauw.

Tempi di coerenza fino a 100 µs, fedeltà del gate del 99,94%

Tsvetan Ivanov, ricercatore dell'IMEC, afferma:"Abbiamo dimostrato nel nostro laboratorio qubit superconduttori con tempi di coerenza superiori a 100 µs e una fedeltà media del gate a qubit singolo del 99,94%. Questi risultati sono paragonabili a dispositivi all'avanguardia, ma, per la prima volta, sono stati ottenuti utilizzando tecniche di fabbricazione compatibili con CMOS, come la deposizione per sputtering all'avanguardia e l'incisione sottrattiva. Questi risultati rivoluzionari potrebbero essere ottenuti migliorando il processo noto per realizzare le giunzioni di sovrapposizione. i miglioramenti includono l'ottimizzazione del processo per ridurre il numero di fasi e interfacce del processo (e quindi il rischio di perdite di energia), una fase di fresatura ad armo migliorata e l'uso esclusivo di alluminio (Al) per la fabbricazione degli elettrodi".

I prossimi passi:fabbricazione da 300 mm, riduzione delle perdite e risoluzione dei problemi della riproducibilità

I nostri esperimenti descritti in NPJ Quantum Information sono stati finora realizzati solo in un ambiente di laboratorio, su coupon di substrato. Tsvetan Ivanov:"Tuttavia, il metodo di fabbricazione presentato annuncia un'importante pietra miliare verso un processo CMOS da 300 mm realizzabile per qubit superconduttori di alta qualità. Presto trasferiremo la fabbricazione di questi circuiti superconduttori nella fabbrica IMEC da 300 mm. Non vediamo l'ora di verificare se il tempi di coerenza elevati possono essere riprodotti su substrati di wafer più grandi".

Jeroen Verjauw:"Inoltre, abbiamo progettato i nostri veicoli di prova in modo tale da poter studiare da dove provengono le perdite di energia. I primi risultati hanno indicato che le perdite si verificano principalmente sulla superficie esterna della struttura e non a livello di giunzione critica. Questo è incoraggiante, in quanto lascia spazio all'ottimizzazione applicando fasi di trattamento superficiale più dedicate. Infine, il nostro metodo di fabbricazione fornisce un percorso verso la fabbricazione di qubit riproducibili su un'ampia area di wafer, con basse variazioni, ad esempio, della frequenza dei qubit".

Tuttavia, ci sono altri ostacoli sulla strada verso i computer quantistici pratici basati sui superconduttori. Anton Potočnik conclude:"I qubit superconduttori sono ancora relativamente grandi (dimensioni mm) rispetto, ad esempio, ai qubit spin semiconduttori (dimensioni nm). Indaghiamo come possiamo ridurre ulteriormente i dispositivi. Sono in corso molti sforzi anche sul lato algoritmico. i qubit che produciamo oggi non sono l'ideale, quindi c'è un enorme sforzo dal lato teorico per sviluppare algoritmi che siano più resistenti a perdite ed errori e per sviluppare protocolli di correzione degli errori quantistici.Inoltre, la nostra comunità avrà bisogno di scalabilità, strumentazione molto ben calibrata per interfacciarsi con il numero crescente di qubit superconduttori, per controllarli e leggere risultati significativi."

Conclusione e prospettive

Kristiaan De Greve, direttore del programma di calcolo quantistico presso IMEC, vede questo lavoro di Anton, Tsvetan, Jeroen e dei loro colleghi come una pietra miliare cruciale verso la capacità di superare le barriere fondamentali all'upscaling dei qubit superconduttori in virtù dei vantaggi di controllo e precisione dell'industria- metodi di elaborazione standard:"Poiché probabilmente saranno necessari da migliaia a milioni di qubit fisici per i processori quantistici del futuro, il superamento dei limiti dovuti alla variabilità e alla bassa resa sarà cruciale. IMEC investe quindi in modo significativo nella comprensione e nel benchmarking di questi limiti e nell'introduzione di nuovi soluzioni che sfruttano la nostra esperienza nel controllo avanzato dei processi."

Danny Wan, program manager quantum computing presso IMEC, aggiunge:"Nell'ambito del programma IMEC sull'informatica quantistica, i nostri scienziati si sono posti la sfida di portare l'informatica quantistica (basata su semiconduttori e superconduttori) dal laboratorio al mondo. Risultati come descritto in NPJ Le informazioni quantistiche sono estremamente incoraggianti e confermano che siamo sulla strada giusta nel perseguire la nostra missione."

Lo studio è pubblicato su npj Quantum Information . + Esplora ulteriormente

Un qubit superconduttore alternativo raggiunge prestazioni elevate per l'informatica quantistica