בכנס הבינלאומי IEDM2020 של אגודת IEEE בנושא מכשירים אלקטרונים, הדגימה imec את פלטפורמת החומרה הגמישה הראשונה לקיוביט מבוסס ספין על פרוסת סיליקון בגודל 300 מ”מ. כמו כן, הציע מרכז המו”פ דרכים חדשות להפעלת מספר קיוביטים במערך טורי ולשילוב בין גישות אלקטרוניקה מסורתיות למעגלים קוונטיים בטמפרטורות נמוכות. אלה צעדים משמעותיים בדרך לפיתוח מעבדים קוונטיים אמיתיים על בסיס סיליקון, שהוגדרה בכנס IEDM כטכנולוגיית מפתח פורצת דרך.
על איזו טכנולוגיה יתבסס המחשב הקוונטי של העתיד? עדיין לא הוכרזה טכנולוגיה מנצחת במרוץ למחשוב קוונטי. הדור הראשון של מחשבים קוונטיים מבוסס בעיקר על קיוביטים מבוססי מוליכי על או יונים לכודים, אבל מחשבים קוונטיים עם קיוביטים על בסיס ספין מחומר מוליך למחצה מראים פוטנציאל גדול. בשנים האחרונות הציגו מערכות נקודה קוונטית על בסיס סיליקון זמני קוהרנטיות ארוכים ורמת אמינות גבוהה בתנאי מעבדה. קיוביטים על בסיס סיליקון מעוררים עניין הודות ליכולתם לשמש במעבדים קוונטים עוצמתיים, מכיוון שהם מתאימים לטכנולוגיית הייצור שבה משתמשת תעשיית המוליכים למחצה כבר יותר מיובל שנים. התהליכים המוכחים האלה מאפשרים ייצור סדרתי, שהופך את הקיובטים על בסיס מוליך למחצה לפתרון עם פוטנציאל מסחרי גדול. עם זאת, המעבר מאבות הטיפוס של הקיוביטים הבודדים למערכים המורכבים ממספר קיוביטים מחייב שיטות ייצור מתקדמות.
כפתרון לבעיה הזאת, השתמשה imec במומחיותה ביצור פרוסות סיליקון בגודל 300 מ”מ לפיתוח מעבד המשלב באופן מיטיבי פוטוליטוגרפיה וקרן אלקטרונים ליצירת קיוביטים מבוססי ספין מסיליקון. הפלטפורמה החדשה הזאת מבוססת על טכנולוגיית ייצור מסחרית קיימת של פרוסות סיליקון בגודל 300 מ”מ, במקום על תהליכי ייצור מיוחדים בתנאי מעבדה. המעבר מהמעבדה לפס הייצור לא הביא לאובדן גמישות: הפלטפורמה מאפשרת לבצע שינוי מבנה תוך כדי תנועה. הגמישות הזאת מאפשרת לשלב מבנים שונים על גבי פרוסת הסיליקון בגודל 300 מ”מ: מהתקן עם זוג נקודות קוונטיות ועד למערך קיוביטים חד־ממדי כפי שמוצג בתמונה 1. “פלטפורמת הייצור של פרוסות סיליקון בגודל 300 מ”מ היא שיטת הייצור הראשונה שמאפשרת להגיע להתקני קיוביט גמישים כאלה”, אומרת יוליאנה ראדו, ראש תכנית המחשוב הקוונטי ב־imec.
תמונה 1. דוגמה לשימוש אפשרי בפלטפורמה הגמישה על בסיס פרוסת סיליקון 300 מ”מ: תכנון שערי הקיוביט באמצעות ליטוגרפיית קרן אלקטרונים ליצירת (a) זוג נקודות קוונטיות מתחת לשערים P1 ו־P2 עם נקודת חישת מטען בין LB ו־RB; (b) מערך של שלוש נקודת קוונטיות מתחת לשערים P1, P2 ו־P3; (c) מערך קווי של נקודות קוונטיות.
פלטפורמת הסיליקון הגמישה של קיוביטים מבוססי ספין הוצגה בהרצאה מרכזית בנושא טכנולוגיות מפתח פורצות דרך בכנס IEDM 2020. החוקרים של imec הדגימו את היכולת לבצע פעולות על נקודות קוונטיות בודדות ממעגלים חיצוניים, כפי שמוצג בתמונה 2. “אם אלקטרון לכוד באחת הנקודות הקוונטיות, אנחנו יכולים לשלוט עליו באמצעות גל אלקטרומגנטי. אנחנו יכולים לשלוט על זווית הספין של האלקטרון, אבל גם לשנות את הצימוד (מנהור קוונטי) בין נקודות קוונטיות סמוכות. אלה הם התנאים המוקדמים הנחוצים לביצוע פעולות על קיוביט”, מסביר רויו לי, מהנדס מוצר ב־imec.
תמונה 2. (a) חתך רוחב של זוג נקודות קוונטיות בין השערים דומים לאלה המוצגים בתמונה 1(b).
(b) מעגל שקול לזוג נקודות קוונטיות.
(c) מפות מוליכות המציגות את היכולת לשלוט על הצימוד בין הנקודות הקוונטיות עבור התקני nMOS (עליון) ו־pMOS (תחתון). הפוטנציאל של נקודה 1 ושל נקודה 2 משתנה על ידי שינוי המתח בשני השערים P1 ו־P2, בעוד שהשער B2 שולט על הצימוד בין הנקודות. בצימוד החלש (משמאל), נקודה 1 ונקודה 2 רחוקות זו מזו וקשה מאוד לאלקטרונים/חורים לעבור מצד אחד לשני. מפות המוליכות (משמאל) מציגות נקודות קוונטיות מרוחקות במצב שנוצר מתאם ביניהן. בצימוד בינוני, הנקודות הקוונטיות מתחילות להיצמד ומפות המוליכות (מרכז) מציגות מבנה דמוי חלת דבש. בצימוד חזק, שתי הנקודות הקוונטיות מתמזגות לכדי נקודה קוונטית אחת.
| EN | HE |
| Weak coupling | צימוד חלש |
| Medium coupling | צימוד בינוני |
| Strong coupling | צימוד חזק |
| Reservoir | אוגר |
| Conductance | מוליכות |
| Source | מקור |
| Drain | שפך |
המעבר משלב המחקר לייצור של פלטפורמה גמישה על בסיס פרוסת סיליקון בגודל 300 מ”מ הוא צעד ראשון חשוב בדרך לפיתוח מעבדים קוונטים גדולים של קיוביטים מבוססי ספין מסיליקון. “בשלב הבא נשתמש בפלטפורמה כדי לחקור ולהבין טוב יותר כיצד לבנות ולהפעיל מערך קיוביטים גדול”, אומרת ראדו. “אנחנו גם פתוחים לשיתופי פעולה עם חברות הזנק שמעוניינות להשתמש בפלטפורמת הסיליקון 300 מ”מ שלנו על מנת להיכנס לתעשיית המחשוב הקוונטי המתפתחת.”
בתוך כך, התחילה קבוצת המחשוב הקוונטי ב־imec לעבוד על השלבים הבאים. היכולת לשלוט על קיוביט בודד לא מספיקה כדי להשיג כוח מחשוב קוונטי בקנה מידה גדול. צריך גם להתמודד עם יחסי הגומלין הפיזיים בין קיוביטים סמוכים, כלומר האופן שבו הם משפיעים זה על זה. “ברגע שנצליח לבנות ולמדוד מערך קיוביטים גדול, יהיה עלינו למצוא דרך לשלב בו שערים לוגיים”, מסביר ג’ורג’ סימיון, פיזיקאי תיאורטי ב־imec. כפתרון אפשרי הוא מציע דרך לביצוע פעולות על מספר קיוביטים המסודרים בטור. ההצעה מבוססת על שימוש בננומגנטים ומאפשרת להגדיל את מערך הקיוביטים מבלי לאבד את היכולת לשלוט על כל אחד מהקיוביטים בנפרד.
מכשול נוסף העומד בדרך לבניית מחשב קוונטי אמיתי הוא הקושי ההנדסי לחבר קיוביטים למעגלים אלקטרוניים מסורתיים. הבעיה הופכת למאתגרת עוד יותר ככל שגדל מספר הקיוביטים, מכיוון שהתוצאה עלולה להיות סבך של מיליוני חוטים הנכנסים למערך ויוצאים ממנו. “אפשר לפתור את בעיית החיווט על ידי הבאת המעגלים האלקטרוניים המסורתיים קרוב יותר לקיוביטים. פירושו של דבר שחלק מהמעגלים האלקטרוניים המסורתיים יהיה בתוך המקרר שבו נמצאים הקיוביטים בטמפרטורה נמוכה מאוד. רעיון זה הוביל למחקר חדש שמטרתו לפתח ממשקים אלקטרוניים שיכולים לפעול בטמפרטורות נמוכות כאלו ולקרוא את המצב של מספר קיוביטים”, מסביר יאן קרנינקס, שהוזמן להרצות בכנס IEDM על המעגלים האלקטרוניים הנחוצים להפעלת קיוביטים. במאמר קצר הוא מתאר כיצד התכונות של טרנזיסטור CMOS זעיר מתאימות למשימה הזאת – בתנאי שהוא יהיה בנוי לשימוש הזה.
“דרוש עדיין מחקר רב בנושא, אפילו על טרנזיסטור CMOS רגיל, עד שנוכל להבין כיצד ליישם את הרעיון הזה” מסכמת יוליאנה ראדו. “המסע לעבר מחשב קוונטי אמיתי רצוף מכשולים, אבל בהדרגה, עקב בצד אגודל, אנחנו מתקדמים בכיוון הנכון”.
Luliana Radu, IMEC
