תוצאות המעבדה הן ציון דרך חשוב במרוץ לעבר ייצור מסחרי של טכנולוגיה קוונטית על בסיס מוליכי על
- החוקרים ב־imec הדגימו מימוש של קיוביטים על בסיס מוליכי על עם זמן קוהרנטיות ארוך מ־100 מיקרו שניות ואמינות שער של 99.94%.
- אלו מאפיינים דומים לאלה של הקיוביטים המתקדמים ביותר שהושגו עד כה, וזאת הפעם הראשונה שבה מומשו קיוביטים כאלה בשיטות המשמשות לייצור מעגלי CMOS.
- ההדגמה אמנם נעשתה בתנאי מעבדה, אבל שיטת הייצור שאותה מציעים המדענים סוללת את הדרך להסבת מתקני ייצור של פרוסות סיליקון בקוטר 300 מ”מ לייצור קיוביטים.
- ההישג פורסם לאחרונה בכתב העת NPJ Quantum Information.
הבשורה שמביאים קיוביטים על בסיס מוליכי על
מחשבים קוונטיים צפויים לחולל מהפכה בחלק מענפי המשק, ובהם הנדסת חומרים, פיתוח תרופות ואבטחת סייבר.
בדגם המחשב הקוונטי, שער קוונטי הוא סוג של שער לוגי – כמו זה שנמצא במעגלים דיגיטליים מסורתיים – הפועל לפי חוקי מכניקת הקוונטים ומבצע פעולה על מספר קטן של קיוביטים. קיוביטים הם אבני הבניין של המחשוב הקוונטי. במסגרת המאמץ לפיתוח מחשוב קוונטי מסחרי, עוסקים חוקרים בכל רחבי העולם בפיתוח פלטפורמות מחשוב קוונטי המשתמשות בסוגים שונים של קיוביטים.
אחת מטכנולוגיות המחשוב הקוונטי המבטיחות ביותר משתמשת במעגלים על בסיס מוליכי על. אנטון פוטוצ’ניק, חוקר מחשוב קוונטי בכיר ב־imec, מסביר: “קל יחסית לשלוט על מצבי האנרגיה של קיוביטים על בסיס מוליכי על, ובמרוצת השנים הצליחו חוקרים להגדיל את מספרם בהתמדה. הגדלת מספר הקיוביטים מאפשרת להגיע לרמת שזירה גבוהה, שהיא אחד מיסודות המחשב הקוונטי. זאת ועוד, קבוצות מחקר בכל רחבי העולם הדגימו מימוש של קיוביטים על בסיס מוליכי על עם זמני קוהרנטיות ארוכים (עד לכמה מאות מילישניות) ואמינות שער גבוהה מספיק, שהם שני מאפיינים חיוניים עבור מחשוב קוונטי.” בעוד שזמני קוהרנטיות מספקים לנו מידע על משך הזמן שבו נשמר מצבו הקוונטי של הקיוביט (וכפועל יוצא, משך הזמן שבו נשמר המידע), אמינות השער היא מדד להבדל שבין השער התיאורטי האידאלי לשער שמומש בפועל במעגל הקוונטי.
חוסר האחידות הוא המכשול הגדול בדרך למימוש מסחרי
עד כה, הושגו התוצאות המבטיחות האלו רק בתנאי מעבדה, כשהרכיב החשוב ביותר – צומת ג’וזפסון – מומש בשיטות נידוף זווית כפולה והסרה (Lift-off). “קיוביט על בסיס מוליך על הוא למעשה מעגל תהודה חשמלי (LC) לא לינארי הבנוי מסליל השראה לא לינארי (L) וקבל (C),” מסביר אנטון פוטוצ’ניק. “צומת ג’וזפסון משמש כסליל השראה לא לינארי ולא מפזר, שמאפשר לשנות את מצבי האנרגיה של הקיוביט וכך לייצג סופרפוזיציה קוונטית כמו <10 ו־<11. כדי להקטין את אובדן האנרגיה, או במילים אחרות כדי להאריך את זמן הקוהרנטיות, דרגת הניקיון של ממשקי ההולכה בתוך המבנים שמרכיבים את הצומת ואת הקבל חייבת להיות גבוהה ככל האפשר. ליקוי ולו רק באטום אחד בממשקי ההולכה, עלול לגרום לכך שהקיוביט יאבד את האנרגיה שלו. בשיטות נידוף זווית כפולה והסרה אפשר לממש ממשקי הולכה בדרגת ניקיון גבוהה ולכן הן שיטות הייצור המועדפות.”
עם זאת, לשיטות הייצור האלו יש גם חסרון משמעותי: הן מקשות על המשך הגדלת מספר הקיוביטים. המכשול העיקרי בפני המשך הגדלת מספר הקיוביטים הוא חוסר האחידות האנרגטית בצומת גוז’פסון שייוצר בתהליך נידוף. כמו כן, שיטות הייצור הללו מתאימות רק לסוגי מוליכי על מסוימים, כך שהן מגבילות גם את המשך השיפורים ברמת הקיוביט.
גישה חלופית על בסיס שיטות ייצור מעגלי CMOS
ירון ורז’או, חוקר דוקטורט (PhD) ב־imec: “הצוות שלנו ב־imec עסק במציאת דרכים חלופיות לייצור מעגלים על בסיס מוליכי על. התמקדנו ביצירת צמתי ג’וזפסון חופפים תוך שימוש בחומרים ושיטות המתאימים לשיטות ייצור מעגלי CMOS, מכיוון שהם מאפשרים לרתום את האמינות והעקביות של תהליכי הייצור המתקדמים האלה לשיפור המעגלים הקוונטיים והגדלתם. צמתים חופפים בנויים משתי אלקטרודות (תחתונה, שסימנה BE; ועליונה, שסימנה TE) המופרדות על ידי שכבה דקה של חומר מבודד. האלקטרודות מיוצרות בשני מחזורי עיצוב, כשביניהם שלב הפסקה בוואקום. ההפסקה מובילה לגדילה טבעית ולא מבוקרת של תחמוצות מתכת שאותן צריך להסיר בשלב השיוף. “שלב השיוף חיוני לקבלת התוצאות הרצויות, אך בעבר דווח שהוא גם גורם לנזק שמוביל לאובדני אנרגיה בלתי־רצויים,” מוסיף ירון ורז’או.
חתך רוחב של מבנה צומת חופף. החפיפה בין האלקטרודה התחתונה (BE) והאלקטרודה העליונה (TE) מגדירה את צומת ג’וזפסון (ואת הצומת התועה הטפילי). ייתכן שיישארו שאריות דופן לאחר שלבי איכול המצע. השכבה הירוקה מציגה את שכבת הסיליקון האמורפי שניזוקה בתהליך השיוף.
זמני קוהרנטיות של עד 100 מיקרו שניות ואמינות שער של 99.94%
צווטאן איבנוב, חוקר ב־imec: “במעבדה הדגמנו מימוש של קיוביטים בודדים על בסיס מוליכי על עם זמני קוהרנטיות של יותר מ־100 מיקרו שניות ואמינות שער של 99.94%. אלו מאפיינים שעולים בקנה אחת עם המעגלים הקוונטיים הטובים ביותר, אבל זאת הפעם הראשונה שהן הושגו באמצעות שיטות ייצור של מעגלי CMOS, ובהן התזה ואיכול. התאמת התהליך הקיים לייצור צמתים חופפים תאפשר להשיג את התוצאות המהפכניות הללו גם בקנה מידה גדול יותר. השיפורים הללו כוללים אופטימיזציה שמטרתה לצמצם את מספר השלבים ומורכבות הייצור (וכך גם את הסיכון לאובדני אנרגיה מיותרים), שיפור של שלב השיוף וייצור האלקטרודות מאלומיניום בלבד (Al).”
(מימין) אמינות השער הממוצעת וסטיית התקן הממוצעת לכל שער; (משמאל) מדידת הירידה באנרגיית הקיוביט.
השלבים הבאים: ייצור על פרוסות בקוטר 300 מ”מ, צמצום אובדן האנרגיה ושיפור האחידות
עד כה, הצלחנו להשיג את התוצאות שפורסמו לאחרונה בכתב העת NPJ Quantum Information רק בתנאי מעבדה ותוך שימוש במצעי בדיקה. צווטאן איבנוב: “אף־על־פי־כן, שיטת הייצור שהצגנו היא ציון דרך חשוב, שממחיש את הפוטנציאל הגלום בהתאמת תהליך הייצור של מעגלי CMOS על פרוסות בקוטר 300 מ”מ לייצור קיוביטים באיכות גבוהה על בסיס מוליכי על. בקרוב, נעביר את ייצור המעגלים על בסיס מוליכי העל הללו למרכז הייצור 300 מ”מ של imec. אנחנו מאוד סקרנים לגלות אם אפשר להשיג את זמני הקוהרנטיות הארוכים האלה גם על פרוסות גדולות יותר.”
ירון ורז’או: “בנוסף, פיתחנו מכשור בדיקה שמאפשר לנו לאתר את מיקומם של אובדני האנרגיה. התוצאות הראשוניות מצביעות על כך שרוב אובדני האנרגיה מתרחשים קרוב לפני השטח של המבנה ולא בצומת החיוני. אלו תוצאות מעודדות שפירושן שהוספת שלבי טיפול ייעודיים במשטח תוכל להוביל לשיפור נוסף באיכות. והכי חשוב, שיטת הייצור שלנו סוללת את הדרך לייצור קיוביטים באיכות גבוהה ואחידה על גבי פרוסות גדולות, עם הבדלים קטנים במאפיינים כמו תדר הקיוביט.”
על אף התוצאות המבטיחות, נותרו עדיין מכשולים רבים בדרך לייצור מסחרי של מחשבים קוונטיים. אנטון פוטוצ’ניק מסכם: “בסיכומו של דבר, קיוביטים על בסיס מוליכי על הם עדיין גדולים יחסית (בקנה מידה מילימטרי) לעומת קיוביטים מבוססי ספין (בקנה מידה ננומטרי). אנחנו חוקרים כיצד אפשר להמשיך ולמזער אותם. נעשים מאמצים רבים גם בצד האלגוריתם. הקיוביטים שאנחנו מייצרים היום טעונים עדיין שיפור ולכן נעשה מאמץ רב גם בצד התיאורטי לפיתוח אלגוריתמים חסינים יותר לאובדני אנרגיה ולשגיאות, וכן לפיתוח פרוטוקולים לתיקון שגיאות קוונטיות. כמו כן, תצטרך הקהילה להמשיך ולפתח מכשור נגיש ומדויק לעבודה עם מספר הולך וגדל של קיוביטים על בסיס מוליכי על, לשליטה עליהם ולמדידות אמינות.”
סיכום ומבט לעתיד
כריסטיאן דה גרב, ראש תכנית המחשוב הקוונטי ב־imec, רואה בעבודה של אנטון, צווטאן, ירון ועמיתיהם, ובהישענות על שיטות ייצור מוכחות מדויקות ואמינות, ציון דרך חשוב בדרך להסרת המכשולים להמשך מזעור קיוביטים על בסיס מוליכי על: “מכיוון שהמעבדים הקוונטים של העתיד יורכבו כנראה מאלפי עד מיליוני קיוביטים, נודעת חשיבות רבה להתגברות על מגבלות חוסר האחידות ואיכות הייצור. imec משקיעה מאמץ רב בזיהוי המגבלות הללו, הבנת הגורמים להן והצגת פתרונות חדשים, על סמך הניסיון שלנו בבקרת תהליכים מתקדמים.”
דני וואן, מנהל תכנית המחשוב הקוונטי ב־imec, מוסיף: “חברי צוות המחשוב הקוונטי ב־imec הציבו לעצמם מטרה ברורה: להוציא את המחשב הקוונטי (על בסיס מוליכים למחצה ומוליכי על) מהכוח אל הפועל. התוצאות שפורסמו בכתב העת NPJ Quantum Information מעודדות מאוד ומאשרות שאנחנו אכן בדרך הנכונה להשגת המטרה שלנו.”
למידע נוסף
פרטים נוספים אפשר למצוא במאמר ‘Path towards manufacturable superconducting qubits with relaxation times exceeding 0.1ms’ (בדרך לייצור קיוביטים על בסיס מוליכים למחצה עם זמן קוהרנטיות של יותר מ־0.1 מילישנייה) מאת ירון ורז’או ושות’, מהדורת אוגוסט 2022 של כתב העת NPJ Quantum Information. רוצה לקבל את המאמר? כל מה שצריך זה למלא את טופס יצירת הקשר.
על מחברי המאמר
ירון ורז’או (Verjauw Jeroen) קרדיט צילום: IMEC
ירון ורז’או (Jeroen Verjauw)
לאחר שסיים בשנת 2012 את לימודי התואר הראשון בהנדסת חשמל באוניברסיטת לוון שבבלגיה, הצטרף ירון ורז’או לתוכנית Erasmus Mundus Masters בתחומי הננו־מדעים והננוטכנולוגיה. בשנה השנייה, למד ירון באוניברסיטת צ’למרס לטכנולוגיה שבשבדיה ועבד בקבוצה של פר דלסינג (Per Delsing) שחקרה את מאפייני ההעברה של מערכות זוג קיוביטים. לאחר קבלת התואר, המשיך ירון לימודיו באוניברסיטת לוון בתחום הפיזיקה. בשנת 2017, קיבל תואר שני בפיזיקה שבמסגרתו חקר את מאפייני מוליכות העל של מערכי ננו־תיילים מבדיל תחת הנחייתם של כריסטיאן טמסט (Kristiaan Temst), מרגרט ג’. ואן באאל (Margriet J. Van Bael) ואנריי ואנטום (André Vantomme). בימים אלה משמש ירון כחוקר דוקטורט (PhD) בצוות המחשוב הקוונטי של imec ועוסק בחקר אובדני האנרגיה בקיוביט ובמהוד (רזונטר) כתוצאה משיטות טיפול וייצור שונות.
צווטאן איבנוב (Ivanov Tsvetan) קרדיט צילום: IMEC
צווטאן איבנוב (Tsvetan Ivanov)
צווטאן איבנוב הוא חוקר בצוות המחשוב הקוונטי ב־imec, שם הוא עוסק בפיתוח פתרונות מעבדה להתקני מחשוב קוונטי, במטרה לקדם בהתמדה את תחום המחשוב הקוונטי קרוב יותר לייצור מסחרי.
במסגרת לימודי הדוקטורט (PhD) שלו, בשנת 2009 הציג צווטאן דיסרטציה בנושא מאפייני השטח והממשק של מבנים ננומטרים מסגסוגת III-V באוניברסיטת סופיה בבולגריה, שם שימש גם כמרצה עד לשנת 2012. לאחר מכן, הצטרף צווטאן כפוסט־דוקטורט לצוות מערך שערי גרמניום וסגסוגת III-V ב־imec בהובלת דניס לין (Dennis Lin). הוא המשיך את עבודת המחקר בפרויקט MOSFET מתיל ננומטרי אנכי מסגסוגת III-V לחקר מגבלות הטכנולוגיה הזאת. משנת 2017, הצטרף צווטאן לצוות המחשוב הקוונטי ב־imec, שם הוא עוסק בתחום התקני קיוביטים מבוססי ספין וקיוביטים על בסיס מוליכי על.
אנטון פוטוצ’ניק (Potočnik Anton) קרדיט צילום: IMEC
אנטון פוטוצ’ניק (Anton Potočnik)
אנטון פוטוצ’ניק הוא חוקר בכיר בצוות המחשוב הקוונטי ב־imec, שם הוא עוסק במחקר מחשב קוונטי על בסיס טכנולוגיית מעגלים מוליכי על. נושאי המחקר המרכזי של אנטון הוא מקורות לאיבוד אנרגיה בקיוביטים, יצירת חיבור בין קיוביטים למעגלי CMOS קריוגניים ומציאת שיטות חדשות להגדלת התקנים קוונטיים על בסיס מוליכי על. לפני שהצטרף ל־imec, שימש אנטון כפוסט־דוקטורט במכון הטכנולוגי של ציריך בקבוצתו של פרופ’ וולרף (Wallraff), שם עבד על הדמיות קוונטיות אנלוגיות. אחד מהישגיו הבולטים הוא פיתוח מודל של תהליכי פוטוסינתזה באמצעות מעגלים על בסיס מוליכי על. אנטון השלים את לימודי הדוקטורט שלו באוניברסיטת ליובליאנה בשנת 2013. במהלך לימודי התואר הראשון שלו, השתתף אנטון במחקר של מוליכות־על אקזוטית ועבודתו תרמה לגילויו של סוג חומר חדש בשם מתכת יאן־טלר.
דני וואן (Wan Danny ) קרדיט צילום: IMEC
דני וואן (Danny Wan)
דני וואן הוא מנהל תכנית המחשוב הקוונטי ב־imec, שם הוא אחראי על ריכוז ותיאום פעילות המחקר והפיתוח בתחום הקיוביטים ומעגלי CMOS קריוגניים. דני הצטרף ל־imec בשנת 2016 כמהנדס אינטגרציה בתוכנית חיבורי הביניים הננומטריים של imec, שם עסק בפיתוח כלי בדיקה למטליזציה מתקדמת ובמציאת מתכות חלופיות. מאז הוא הוביל פרויקטים שונים ב־imec, ובהם פיתוח פלטפורמת ספינטרוניקה לוגית כחלק מתוכנית הדור הבא של מעגלי CMOS וייצור תעשייתי של קיוביטים על בסיס מוליכי על במסגרת תכנית המחשוב הקוונטי. לפני שהצטרף ל־imec, עבד דני באינטל כמהנדס איכות תהליך ואינטגרציה. לדני דוקטורט בפיזיקה מאוניברסיטת קליפורניה באירוויין על מחקרו בתחום מעגלי ננו־צינוריות פחמן בעלי דופן בודדת והתקנים ננו־אלקטרוניים.
כריסטיאן דה גרב (Kristiaan De Greve)
כריסטיאן דה גרב הוא המנהל המדעי וראש תכנית המחשוב הקוונטי ב־imec, וכן מרצה להנדסת חשמל באוניברסיטת לוון. לפני שהצטרף ל־imec בשנת 2019, היה כריסטיאן מרצה מן המניין בפקולטה לפיזיקה באוניברסיטת הרווארד, שם הוא ממשיך לשמש כמרצה אורח גם היום. כריסטיאן למד הנדסת חשמל באוניברסיטת לוון וסיים את לימודי הדוקטורט בהנדסת חשמל באוניברסיטת סטנפורד בשנת 2012 כעמית בתוכנית Stanford Graduate Fellow. הדיסרטציה זוכת פרסים שלו בהנחייתו של פרופסור יושיהיסה יממוטו (Yoshihisa Yamamoto) עסקה בסוגים חדשים של קיוביטים מבוססי ספין, אמצעים מהירים במיוחד לביצוע פעולות על קיוביטים כאלה והובלת ניסויים פורצי דרך בתחום מגבלות שזירת קיוביטים מבוססי חלקיקי אור וחומר. בהרווארד, ביחד עם מישה לוקין (Misha Lukin) ואמיר יעקובי, עבד כריסטיאן על פיתוח פתרונות למגבלות החישה הקוונטית באמצעות שדות מגנטיים ועל פיתוח מערכת ה־MRI הקטנה בעולם. כמו כן, ביחד עם מישה לוקין, הונגקון פארק (Hongkun Park) ופיליפ קים (Philip Kim), עבד על הסבת מוליכים למחצה דו־ממדיים לפלטפורמה עבור ניסויים באופטיקה קוונטית בהורדת ממד. לכריסטיאן תארים אקדמיים גם בפיזיקה, כלכלה ומנהל עסקים מאוניברסיטת סטנפורד ומאוניברסיטת הרווארד.
