Quantencomputing eröffnet zwar ein völlig neues Universum an Möglichkeiten, stellt aber auch eine gewaltige Herausforderung dar. Forscher und Ingenieure mussten von Grund auf neu beginnen und die Art und Weise, wie Prozessoren gebaut werden, revolutionieren.

In diesem Kontext ist jede bewährte Technologie, die zur Weiterentwicklung der Forschung beitragen kann, ein Gewinn. Das MOS-QUITO-Projekt konzentrierte sich auf eine solche Technologie zur Entwicklung skalierbarer Quantenprozessoren: die Siliziumtechnologie. Ziel des Teams ist es, zu demonstrieren, dass siliziumbasierte Quantengeräte vollständig auf einer industriekompatiblen CMOS-Plattform hergestellt werden können. Darüber hinaus untersuchten sie die Möglichkeit, herkömmliche CMOS-Elektronikbauteile zu entwickeln, die bei sehr niedrigen Temperaturen arbeiten und als Steuerhardware für Quantenprozessoren dienen können.

„Das Projekt basiert auf jahrelanger Grundlagenforschung, die uns wichtige Erkenntnisse über die elektronischen Eigenschaften von komplementären Metalloxid-Halbleitertransistoren bei niedrigen Temperaturen (Subkelvin) und insbesondere über Transistorbauelemente auf Basis der Silizium-auf-Isolator-Technologie geliefert hat“, erklärt Silvano De Franceschi, Projektkoordinator und Vertreter der französischen Atomenergiekommission.

Das Projekt basiert auf der Annahme, dass die Nutzung von Siliziumtechnologie für Quantencomputer die Möglichkeiten der großflächigen Integration einer bereits etablierten Industrie nutzen kann. Wie De Franceschi betont: „Quantencomputer sollen praktische Probleme lösen, die mit heutigen Computern nicht zu bewältigen sind. Dafür benötigen sie eine sehr große Anzahl physikalischer Qubits. Die Nutzung von Siliziumtechnologie erscheint daher als vielversprechende Option, um dieses Ziel zu erreichen.“.

Im Rahmen des Projekts entwarfen und testeten De Franceschi und sein Team verschiedene Silizium-Spin-Qubits. Diese Qubits nutzen den Spin einer lokalisierten elektronischen Ladung, um Quanteninformationen über längere Zeiträume zu speichern. Anschließend nutzten sie eine 300-mm-CMOS-Fertigungslinie in Grenoble. Ihr Ziel war es, zu demonstrieren, dass sich hochwertige Silizium-Spin-Qubits mit branchenüblichen CMOS-Prozessen in einer großflächigen Nanofabrikationsanlage herstellen lassen.

Es war kein einfacher Prozess, wie De Franceschi erklärt: „Die größten Schwierigkeiten traten bei der Herstellung der Geräte auf. Es mussten einige neue Fertigungsprozesse entwickelt werden, und unerwartete Produktionsprobleme führten zu Verzögerungen. Darüber hinaus kam es aufgrund von Geräteproblemen zu Verzögerungen.“.

Ein weiteres wichtiges Ziel von MOS-QUITO war die Entwicklung eines Werkzeugkastens aus CMOS-basierten Bauelementen wie rauscharmen Verstärkern, Zirkulatoren und Multiplexern. Diese könnten letztendlich als periphere Elektronikkomponenten für niedrige Temperaturen eingesetzt werden, um die Steuerung und das Auslesen von Qubits zu verbessern. „Durch die gemeinsame Nutzung derselben CMOS-Technologie könnten die Qubits und zumindest ein Teil der Steuerelektronik sogar auf demselben Chip integriert werden. Diese einzigartige Möglichkeit könnte besonders für die Entwicklung schneller und skalierbarer Ausleseschaltungen nützlich sein“, betont De Franceschi.
Laufende Arbeiten:
Das Projekt war besonders erfolgreich mit insgesamt 55 Veröffentlichungen und sieben Patentanmeldungen. Neben der Demonstration und Erforschung der ersten Qubit-basierten CMOS-Technologie veröffentlichte das Projekt Machbarkeitsstudien mehrerer kryogener CMOS-Schaltungen mit vielfältigen Funktionalitäten. Diese Arbeit ist grundlegend für die Entwicklung von großskaligen Quantencomputern, da in Qubits gespeicherte Quanteninformationen schnell verfallen und unbrauchbar werden können, wenn sie nicht auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt gekühlt werden.

Zu den weiteren Errungenschaften zählen die Entwicklung und Optimierung von Spin-Lesetechniken auf der Grundlage von: Gate-Reflektometrie; ein besseres Verständnis und eine verbesserte Nutzung der Spin-elektrischen Dipolresonanz sowohl für Löcher als auch für Elektronen; und erste Ergebnisse zur Ladungskontrolle in CMOS-basierten Quantenquads.

Obwohl MOS-QUITO im September 2019 endete, werden die Arbeiten an zwei Folgeprojekten fortgesetzt. Diese Projekte, QuCube (gefördert durch einen Synergy Grant des Europäischen Forschungsrats) und QLSI (finanziert durch die Flagship Initiative on Quantum Technologies), zielen beide darauf ab, Silizium-Qubits dem skalierbaren Quantencomputing näher zu bringen.