Imec-Technologie ebnet Diraqs Quantenchips den Weg
Silizium-Qubits, die mit fortschrittlichen industriellen Fertigungsmethoden hergestellt werden, erfüllen die wichtigsten Leistungskriterien und sind bereit für die Massenproduktion.
Industriell hergestellte Silizium-Quantenpunkt-Qubits können durchgängig Fehlerraten aufweisen, die die für die Quantenfehlerkorrektur erforderlichen Werte übertreffen. Wie die Ergebnisse von Imec und Diraq zeigen, lassen sich die Qubits von Diraq mit den Werkzeugen aus der Silizium-Mikrochip-Produktion zuverlässig herstellen. Dies demonstriert somit das Potenzial der industriellen Fertigungsverfahren von Imec für die Entwicklung großer siliziumbasierter Quantencomputer.
Nach fast einem Jahrzehnt sorgfältiger Optimierung und Entwicklung der Spin-Qubit-Fertigung am Imec haben die von Diraq entwickelten Geräte gezeigt, dass sie bei Operationen mit zwei Quantenbits durchgehend eine Fidelität von über 99 % erreichen. Diese Leistung, die durch die fortschrittliche Spin-Qubit-Technologieplattform von Imec ermöglicht wurde, ist ein entscheidender Schritt auf dem Weg von Diraq zum Utility-Scale – dem Punkt, an dem der Wert eines Quantencomputers seine Kosten übersteigt.
Andrew Dzurak, CEO und Gründer von Diraq, sagte: „Das Erreichen der Utility-Scale im Quantencomputing hängt davon ab, ob es gelingt, einen kommerziell tragfähigen Weg zu finden, High-Fidelity-Qubits in großem Maßstab herzustellen. Die Zusammenarbeit von Diraq und Imec macht deutlich, dass siliziumbasierte Quantencomputer unter Nutzung der ausgereiften Halbleiterindustrie gebaut werden können, was einen kosteneffizienten Weg zu Chips mit Millionen von Qubits bei gleichzeitiger Maximierung der Fidelität eröffnet.“
Die Wiedergabetreue einer Quantenoperation gibt an, wie nahe die tatsächliche Operation an ihrer idealen Version liegt, und ist eine wichtige Kennzahl für das Ermöglichen großer Quantencomputer. Im Idealfall muss die Fidelität bei allen Operationen (weit) über 99 % liegen. Nur dann sind Fehler so selten, dass Quantenfehlerkorrekturmethoden erfolgreich arbeiten können. In dieser Arbeit wurden die Fidelitäten für eine Reihe von Silizium-Quantenpunkt-Spin-Qubit-Operationen über mehrere Geräte hinweg reproduzierbar gemessen: Vorbereitung des Zustands und Messung der Qubits (SPAM) sowie Ein- und Zwei-Qubit-Gate-Operationen, die an den Qubits durchgeführt wurden, um ihren Zustand zu kontrollieren und sie zu verschränken – die elementaren Operationen, die für einen Quantencomputer im großen Maßstab erforderlich sind. Für SPAM-Operationen wurden Zuverlässigkeiten von über 99,9 % erreicht, und für Ein- und Zwei-Qubit-Gate-Operationen wurden systematisch Zuverlässigkeiten von über 99 % gezeigt, so dass die Quantenfehlerkorrektur von industriell hergestellten Quantenpunkt-Qubit-Bauelementen nun eine realistische Perspektive darstellt.
Normalerweise werden Quantenbauelemente, die in universitären Reinräumen hergestellt werden, aufgrund ihrer Qualität für die Messung ausgewählt, ein Verfahren, das „Hero“-Bauelemente hervorbringt und die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse verschleiert. In der Studie maß Diraq zufällig ausgewählte Bauelemente und erhielt reproduzierbare Daten über Sätze von Zwei-Qubit-Bauelementen, die jeweils aus einer doppelten Quantenpunktstruktur bestanden. Die Bauelemente wurden mit der 300-mm-Spin-Qubit-Plattform für Silizium-Quantenpunktstrukturen von Imec hergestellt, die für geringes elektrisches Rauschen und hohe Gleichförmigkeit optimiert ist. Um auch das magnetische Rauschen von Restkernspins im Substrat zu unterdrücken, wurden die Quantenpunktstrukturen auf einer isotopisch angereicherten Si-28-Schicht hergestellt.
Kristiaan De Greve, Fellow und Programmdirektor für Quantencomputer am Imec: „Zum ersten Mal sind Silizium-MOS-basierte Quantenpunkt-Spin-Qubit-Bauelemente, die mit industriellen Fertigungstechniken hergestellt wurden, genauso leistungsfähig wie Hero-Bauelemente aus dem Labor. Dies zeigt, dass der 300-mm-Prozess von Imec für MOS-basierte Quantenpunkt-Strukturen eine rauscharme Qubit-Umgebung ermöglicht, was zu hoher Wiedergabetreue für eine Reihe von kritischen Qubit-Operationen führt. Die angewandten Methoden und die daraus gewonnenen Erkenntnisse zeigen uns auch, dass es noch Potenzial für eine weitere Verbesserung der Zuverlässigkeit gibt, da wir eine höhere Wiedergabetreue durch eine weitere Isotopenanreicherung der Silizium-Kanal-Schicht mit Si-28 erreichen können.“ [Diraq / imec / dre]
Weitere Informationen
- Originalveröffentlichung
P. Steinacker, N. Dumoulin Stuyck, W. H. Lim, et al., Industry-compatible silicon spin-qubit unit cells exceeding 99% fidelity, Nature 646, 81–87, 2. Oktober 2025; DOI: 10.1038/s41586-025-09531-9 - Diraq Pty Ltd, Kensington, NSW, Australien
- Design and foundry services, Interuniversitair Micro-Electronica Centrum VZW (imec), Leuven
Anbieter
imecRemisebosweg 1
3001 Leuven
Belgien
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