法國CEA展示了創建量子處理器構建模塊的途徑

CEA的法國技術研究機構CEA-Leti以及CEA和格勒諾布爾阿爾卑斯大學聯合基礎研究機構Inac，今天宣布在量子比特大規模製造方面取得突破，這是未來量子處理器的基礎。他們在300mm工業化前的平台上展示了通過化學氣相沉積(CVD)沉積的膜中新的同位素純化水平。這使得能夠使用非常高純度的硅同位素28 Si在薄硅層中產生量子比特，其產生與通常由天然硅製成的薄膜相當的晶體質量。

圖片來自：CEA-Leti

Inac的研究總監Marc Sanquer說：「使用同位素28 Si代替天然硅對於硅自旋量子比特保真度的優化至關重要。由於天然硅中存在核自旋，自旋量子比特的保真度被限制在很小的值。但是通過使用28Si可以大大提高自旋量子比特保真度，而它為零核自旋。我們希望通過在CEA-Leti工業化前的CMOS平台上製造的量子比特來證實這一點。」

量子比特是量子信息的基石。它們可以在各種各樣的材料系統中製造，但是當涉及到大規模集成的關鍵問題時，可能的選擇範圍顯著縮小。硅自旋量子比特尺寸小，與CMOS技術兼容。因此，與其他類型的量子比特相比，它們為大規模集成提供了優勢。

自2012年以來，當首次報道依賴電子自旋的量子比特時，引入同位素純化的28 Si導致自旋相干時間顯著增加。自旋相干持續時間越長，量子操作的保真度越好。

量子效應對於理解基本硅微元件的工作原理是至關重要的，但是最重要的量子效應，如疊加和糾纏，並不適用於電路。CEA-Leti和Inac結果表明，這些效應可以在低溫下運行的CMOS晶體管中實現。

CEA-Leti和Inac先前報告了在使用天然絕緣硅（SOI）300mm CMOS平台的過程中演示量子比特的初步步驟。量子比特是由SOI晶體管中的單個孔攜帶的電控自旋。在《npj量子信息》發表的一篇論文中，CEA-Leti和Inac報道了SOI晶體管中的電子自旋也可以被純電信號操控，這使得快速和可擴展的自旋量子比特成為可能。

CEA-Leti的硅組件部門的研究工程師Louis Hutin說：「為了向實用且有用的量子處理器邁進，現在必須增加量子比特。這項開發必將解決基本量子磚(quantum bricks)的可變性、可重複性和靜電控制質量問題，正如常規標準微處理器所做的那樣。」

為了幫助CEA-Leti和Inac在CMOS平台中利用無核自旋硅，由法國液化空氣公司(Air Liquide)供應硅前體，使用同位素純度極高的同位素純化硅烷，它具有小於0.00250％的29Si同位素含量，由俄羅斯科學院高純物質化學研究所準備。29Si同位素在天然硅中的含量為4.67％，是硅的唯一穩定同位素，具有限制量子比特相干時間的核自旋。

在CVD生長層上使用該純化的硅烷前體進行的二次離子質譜(SIMS)分析顯示29 Si濃度小於0.006％，30 Si濃度小於0.002％，而28 Si濃度大於99.992％。通過原子力顯微鏡(AFM)、霧度和X射線反射測量結果證實，在300mm襯底上的CVD生長外延層的這些前所未有的同位素純化水平與在原子尺度上光滑的表面相關聯。

利用他們的科技知識以及與Minatec園區300mm硅平台相關的特定機會，CEA-Leti和Inac將繼續為量子技術的科學、技術和工業活力做出貢獻，並通過在該領域實施歐盟委員會的FET旗艦計劃得到加強。

本文由量子計算最前沿基於相關資料原創編譯，轉載請聯繫本公眾號獲得授權。

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