Nature发文：发现推进自旋量子比特技术新方法！
Nature发文：发现推进自旋量子比特技术新方法！
构建一个容错量子计算机将需要大量的物理量子比特。可是，如何产生数百万个量子比特以满足应用需求呢？科学家们已经发现，基于硅中电子的自旋量子比特已经实现了超过99%的双量子比特和单量子比特保真度，满足纠错阈值，但一直受到产量和工艺变化的挑战。目前这一问题得到进一步的解决。
在科学家最近发表在《自然》杂志上的一篇文章中，研究人员开发了一种300mm低温探测工艺，以获得跨整个晶圆的自旋量子比特器件的大量数据。他们优化了一种行业兼容的工艺，在低无序基质材料上制造自旋量子比特器件，从而能够自动探测300mm晶圆上的自旋量子比特阵列中的单电子。这些结果共同证明了通过将互补金属氧化物半导体（CMOS）工业技术应用于自旋量子比特器件的制造和测量可以实现的进步。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07275-6
自旋量子比特类似于半导体电子晶体管，许多方面都与传统晶体管相似，并有可能通过类似的制程制造。自旋量子比特可追溯到1998年，Loss和DiVincenzo提出半导体量子点中的单电子自旋可以作为量子比特的载体，单个电子的自旋向上和自旋向下这两种状态可被用于编码量子比特的0和1。
我们知道，电子自旋对磁场具有天然的敏感性，能够与磁场发生直接相互作用，例如自旋-轨道耦合；但是相对而言，电子自旋对电场的敏感度较低，通常只在高压下与电场进行直接相互作用，所以对电场产生的噪声不是很敏感。电子自旋退相干的主要因素是核自旋，所以通常会选用核自旋为0的材料来降低影响。因此与超导量子比特相比，自旋量子比特相干时间预计长得多。
同时，硅是半导体产业的核心材料，自旋量子比特与我们现在的半导体电子和晶体管颇为相似。得益于成熟的半导体产业，易于扩展，硅自旋量子比特一直备受产业关注。而且自旋量子比特的实际尺寸也比超导量子比特小得多。研究人员期望可利用现在的半导体产业封装和互连技术，研发出商用系统所需的数百万个量子比特，从而实现通用真正的量子计算。
2020年，英特尔和QuTech共同在Nature上发表了一篇论文，证明了在高于1K下，能够成功控制“高温”量子比特，相比于超导量子系统只能在0.1K下运行已经提高不少。
英特尔实验室量子硬件总监Jim Clarke表示：“这项研究代表我们对硅自旋量子比特的研究取得了意义非凡的进展。硅自旋量子比特是一个极具潜力的候选技术，有望赋能商业规模级量子系统。”
2023年，HRL实验团队首次演示了对自旋量子比特编码的通用控制，意味着这些量子比特可以使用任何类型的量子计算算法实现。
截至目前，对于自旋量子比特的研究还在探索之中。集成自旋量子比特阵列的尺寸已达到六个量子点，并且还展示了二维（2D）和一维（1D）配置的更大平台。也就是说，自旋量子比特阵列仅可提供少数量子点。而在实际量子应用当中，物理量子比特的规模需要大幅增加。
科学家发现，使用与经典计算芯片类似的基础设施制造自旋量子比特设备可以促进使用自旋量子比特技术开发容错量子计算机，释放自旋量子比特的扩展潜力。
这是因为自旋量子比特技术具有固有的缩放优势，量子比特尺寸约为100nm，并且与现代CMOS 制造基础设施（特别是在硅基器件的情况下）具有内置兼容性。
目前来看，产量和工艺变化是自旋量子比特的主要挑战。此外，低温电气测试瓶颈阻碍了超导、拓扑量子比特和自旋量子比特等固态量子技术的扩展。
因此，低温器件测试规模必须与日益增加的制造复杂性保持同步，以确保有效的器件筛选并改进电压变化和量子比特产量等统计指标。通过将工艺变化与组件良率和电压变化等指标的统计测量相结合，可以改善量子器件的良率和工艺变化。
在这项最新的研究中，研究人员提出了一种使用低温300mm晶圆探测器的测试流程，以获取有关数百个工业制造的自旋量子比特器件在整个晶圆上1.6K下的性能的大量数据。他们将低工艺变化与低无序基质材料相结合，优化了硅/锗化硅（Si/SiGe）异质结构上自旋量子比特器件制造的行业兼容工艺。
a.显示提取电子温度的配置的电荷稳定性图。b.跨越过渡的一维测量，由红色虚线表示，并覆盖理论拟合。
a，冷冻探针在大约2小时内将300毫米晶圆（上图）冷却至1.6K的电子温度。下图显示了Si/SiGe量子点量子比特器件的横截面透射电子显微照片。b，当晶圆冷却时，使用晶圆台控制和机器视觉反馈将器件焊盘与探针引脚对齐。该平台将器件垫提升至与探针接触，以在室温下将器件连接到测量电子器件。c，当设备接触时，可以执行多种测量来提取设备数据。d、在晶圆上的许多器件上重复此过程后，器件数据可用于晶圆规模趋势的统计分析。
值得注意的是，在300mm硅片上生长的Si/SiGe异质结构被研究人员用作基质材料。而研究人员选择这种结构是为了利用硅中延长的电子自旋相干性及其对多个量子比特编码的适用性。所有图案化均使用光刻进行，其中单程量子点栅图案化采用的是极紫外光刻。
此外，所有设备子组件均采用化学机械抛光、蚀刻和沉积等基本工业技术制造。这项工作中使用的低温探针由AEM Afore和Bluefors制造，可以装载并冷却300mm晶圆，卡盘处的基础温度为1.0K，电子温度为1.6±0.2K。数千个测试结构和旋转冷却后测量晶圆上的量子比特阵列。
由前文可知，论文所提出的低温测试方法在300mm晶圆上成功实现了低工艺变化和高良率。该测试方法提供快速反馈，以实现CMOS兼容制造工艺的优化，从而实现低工艺变化和高产量。
这些进步使自旋量子比特的工作点的测量成功实现了自动化，并且在整个晶圆上彻底研究了单电子的跃迁。通过分析单电子工作电压的随机变化获得的结果表明，优化的制造工艺可在300mm尺度上实现低水平的无序性。
高器件良率与低温晶圆探测器相结合，实现了从器件制造到自旋量子比特研究的简单路径，从而消除了由于静电或稀释制冷阶段的良率而导致的故障。总体而言，使用大批量低温测试方法、工艺变化较小的全CMOS行业兼容制造工艺以及低无序基质材料/Si/SiGe，实现了多达12个量子比特的可扩展大型晶胞。
总而言之，这项研究的结果为自旋量子比特器件的可靠性和规模建立了新标准，并为未来更复杂和更大的自旋量子比特阵列铺平了道路。
本文原文来自腾讯新闻