量子计算或许能带来全新的可能性,但也带来了巨大的挑战。研究人员和工程师不得不推倒重来,彻底革新处理器的制造方式。.
在此背景下,任何能够推动研究的成熟技术都是一种福音。MOS-QUITO 项目专注于这样一种技术:硅技术,旨在打造可扩展的量子处理器。该团队的目标是证明,完全使用与工业兼容的 CMOS 平台即可制造硅基量子器件。他们还探索了开发能够在极低温度下运行的传统 CMOS 电子元件,并将其用作量子处理器的控制硬件的可能性。.
“该项目基于多年的基础研究,这些研究为我们提供了有关互补金属氧化物半导体晶体管的低温(亚开尔文)电子特性的重要知识,更具体地说,是基于绝缘体上硅技术的晶体管器件的知识,”代表法国原子能和替代能源委员会的项目协调员西尔瓦诺·德·弗朗切斯基解释说。.
该项目的前提是,利用硅技术进行量子计算可以充分利用现有成熟产业的大规模集成能力。正如德·弗朗切斯基所指出的,“量子计算机的目的是解决当前计算机无法处理的实际问题,而要做到这一点,它们需要数量庞大的物理量子比特。利用硅技术似乎是实现这一目标的一个极具吸引力的选择。”.
在整个项目中,德·弗朗切斯基和他的团队设计并测试了多种硅自旋量子比特;这些量子比特利用局域电子电荷的自旋自由度来长时间存储量子信息。随后,他们利用位于格勒诺布尔的一条300毫米CMOS生产线进行生产。他们的目标是证明,在大型纳米加工设施中,可以使用行业标准的CMOS工艺制造高质量的硅自旋量子比特。.
正如德·弗朗切斯基解释的那样,这并非易事:“主要困难在于设备的制造环节。我们需要开发一些新的制造工艺,而一些意想不到的制造问题也造成了延误。此外,设备问题也导致了延误。”.
MOS-QUITO 的另一个重要目标是开发一套基于 CMOS 的器件工具包,例如低噪声放大器、环形器和多路复用器。这些器件最终可用作低温外围电子元件,以改进量子比特的控制和读出。“通过共享相同的 CMOS 技术,量子比特和至少部分控制电子器件甚至可以集成到同一芯片上。这一独特的机会对于开发快速且可扩展的读出电路尤为有用,”De Franceschi 指出。
目前的工作进展:
该项目成果丰硕,共发表了 55 篇论文,并提交了 7 项专利申请。除了展示和研究首个基于量子比特的 CMOS 技术外,该项目还发表了几个具有不同功能的低温 CMOS 电路的概念验证演示。这项工作对于大规模量子计算机的开发至关重要,因为存储在量子比特中的量子信息如果不冷却到接近绝对零度的温度,就会迅速退化并变得无法使用。
其他成就包括:开发和优化基于栅极反射测量的自旋读取技术;改进对空穴和电子自旋电偶极共振的理解和利用;以及在基于 CMOS 的量子四极器件中实现电荷控制的初步成果。.
尽管 MOS-QUITO 项目已于 2019 年 9 月结束,但两个后续项目仍在继续进行。这两个项目分别是 QuCube(由欧洲研究理事会的协同基金资助)和 QLSI(由量子技术旗舰计划资助),它们都旨在使硅量子比特更接近可扩展的量子计算。.
