Quantenschaltkreise: Qubits entstehen in Intels Silizium-Fertigung

Die Anzahl der Qubits bestimmt die Leistungsfähigkeit von Quantencomputern. Fertigung mit industriellen Verfahren ist hier unumgänglich.

Artikel veröffentlicht am , Johannes Hiltscher
Elektronen rotieren, dadurch ergibt sich ihr Spin und sie erzeugen ein Magnetfeld. Dessen Richtung kann zum Speichern von Information genutzt werden.
Elektronen rotieren, dadurch ergibt sich ihr Spin und sie erzeugen ein Magnetfeld. Dessen Richtung kann zum Speichern von Information genutzt werden. (Bild: J. Fal/JILA)

Einem Forschungsteam von Qutech aus den Niederlanden ist es zusammen mit Intel gelungen, Quantenschaltkreise mit industrieller Halbleiterfertigung herzustellen. Nach Aussage von Tobias Krähenmann von Qutech gilt dies seit 20 Jahren als möglich, wurde nun aber erstmals demonstriert. Fünf Jahre arbeitete Qutech in Kooperation mit Intel Components Research in Oregon daran, Qubits und industrielle Fertigung zusammenzubringen. Am Ende standen 20 gefertigte 300-mm-Wafer und ein Artikel in Nature Electronics.

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Zwar sind auf Basis von Silizium realisierte Qubits nichts Ungewöhnliches. Die Schaltkreise wurden bislang jedoch mit Elektronenstrahllithografie im Labor gefertigt. Im Vergleich zur industriellen Halbleiterfertigung ist das Verfahren langsam und führt zu verhältnismäßig vielen defekten Qubits. Allerdings ist es deutlich weniger aggressiv als die Behandlung mit chemischen und mechanischen Prozessen in der Massenfertigung. Quantenprozessoren aus Silizium bauen auf Quantenpunkten und Elektronenspin auf.

Unklar war, ob die Prozesse der industriellen Fertigung die sensiblen Quantenpunkte beeinträchtigen. Bevor allerdings der erste Wafer belichtet werden konnte, mussten die Anforderungen der Quantenpunkte und Intels Fertigung in Einklang gebracht werden. Eine Herausforderung für beide Seiten, so Anne-Marije Zwerver, Erstautorin der Nature-Publikation. Intels Fertigungsprozess mache strenge Vorgaben, die beim Entwurf der Quantenschaltkreise eingehalten werden müssten.

Viele Qubits nur mit industrieller Fertigung

Dass Intel und Qutech diese Mühen auf sich nahmen, hat einen Grund: Nur mit industriellen Verfahren lassen sich Quantencomputer mit besonders vielen Qubits herstellen. Die Publikation in Nature spricht von Tausenden bis Millionen. Bei den Tests wurden pro Wafer 10.000 Arrays von Quantenpunkten hergestellt, die jeweils mehrere Qubits ergeben. Die Ausbeute (Yield) an funktionsfähigen Arrays lag mit 98 Prozent deutlich über den Werten, die andere Fertigungsverfahren erreichen. Laut Lieven Vandersypen von Qutech sind bislang etwa 50 Prozent üblich gewesen.

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Auch wenn dies einen Meilenstein darstellt, gilt wie so oft bei Quantenschaltkreisen: Bis zu einem realen Produkt ist es noch ein weiter Weg. Bei den gefertigten Wafern wurden verschiedene Aufbauten der Quantenpunkte und Größen der Arrays erprobt. Jetzt geht es darum, mehrere Qubits zu kontrollieren, um mit ihnen rechnen zu können und den Fertigungsprozess zu optimieren. Zudem muss sichergestellt werden, dass die Qubits verlässlich kontrollierbar sind.

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Quantenpunkte fangen Elektronen ein

Wie andere Ansätze machen sich auch Silizium-Qubits den Spin von Elektronen zunutze. Elektronen rotieren um sich selbst, wodurch ein Magnetfeld entsteht. Dieses kann, vereinfacht gesagt, nach oben oder nach unten zeigen, je nach Rotationsrichtung. Der Spin wird genutzt, um eine binäre Information zu speichern. Mittels Verschränkung können mehrere Qubits zu einem Register zusammengefasst werden.

Die Quantenpunkte schränken die Beweglichkeit von Elektronen auf bestimmte Bereiche ein. Sie werden quasi eingefangen, so kann Information an einer bestimmten Stelle gespeichert werden. Die Struktur der Punkte wird durch das verwendete Halbleitermaterial vorgegeben und kann über ein Gate kontrolliert werden. So können Schaltungen erstellt werden, die sich wie ein Transistor oder Logikgatter verhalten. Im Gegensatz zu normalen Halbleitern werden hierbei jedoch einzelne Elektronen bewegt oder ihr Spin beeinflusst.

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