Исследователи из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) и Кембриджской лаборатории Hitachi недавно разработали интегральную схему (ИС), которая объединяет кремниевые квантовые точки с обычной электроникой считывания. Этот чип, представленный в статье, опубликованной в Nature Electronics , основан на 40-нм криогенной технологии комплементарных металл-оксид-полупроводников (CMOS), которая легко и коммерчески доступна.

«Наша недавняя статья основана на опыте двух вовлеченных групп», — сказала TechXplore Андреа Руффино, один из исследователей из EPFL, проводивших исследование. «Целью нашей группы было создание криогенных (Bi)CMOS интегральных схем для считывания и управления квантовыми компьютерами, которые должны быть объединены или объединены на заключительном этапе с кремниевыми квантовыми процессорами. С другой стороны, команда из Кембриджская лаборатория Hitachi уже много лет изучает кремниевые квантовые устройства ».

Руффино и его коллеги из EPFL объединили усилия с командой из кембриджской лаборатории Hitachi с общей целью объединить классические схемы и квантовые устройства на одном чипе . Их статья основана на некоторых из их предыдущих усилий, в том числе на предложении криогенных КМОП-ИС для квантовых вычислений , а также на реализации быстродействующих и мультиплексированных во времени измерений кремниевых квантовых устройств.

«В нашей новой статье мы попытались предложить версию полностью интегрированной схемы с целью продемонстрировать масштабируемую архитектуру для считывания квантовых устройств, совместную интеграцию классической электроники и квантовых устройств в одном чипе в промышленной технологии, интегрированных вентилях. дисперсионное считывание на микроволновых частотах и, наконец, считывание с временным, частотным и комбинированным частотно-временным мультиплексированием», — пояснил Руффино.

Основная цель недавнего исследования, проведенного Руффино и его коллегами, состояла в том, чтобы объединить методы быстрого обнаружения и временного мультиплексирования, разработанные командой из лаборатории Hitachi, для достижения двумерного (т. е. временного и частотного) мультиплексного измерения. Для этого они построили матрицу двумерных транзисторов и применили к ней оба этих метода.

«Мы также хотели интегрировать все компоненты, представленные в наших предыдущих работах (т. е. датчики, механизмы и устройства управления/доступа), в один чип, используя стандартную технологию производства», — сказал Цунг-Йе Ян, исследователь из кембриджской лаборатории Hitachi. в исследовании, рассказал TechXplore. «Следовательно, продемонстрированный нами прототип можно легко масштабировать».

Чип, разработанный исследователями, состоит из транзисторов CMOS, которые напоминают те, которые используются для изготовления смартфонов и других распространенных электронных устройств. Однако, в отличие от обычных транзисторов, транзисторы, встроенные в новый чип, работают при криогенных температурах (например, при 50 мК) и содержат массив кремниевых квантовых точек.

«Посылая микроволновый сигнал на затвор квантовых устройств и считывая отклик отраженного сигнала, можно определить состояние квантовых устройств», — пояснил Руффино. «В этом чипе массив из девяти квантовых устройств разделен на три строки и три столбца. Каждый ряд подключен к микроволновому резонатору, реагирующему на другую частоту, что обеспечивает функцию частотного мультиплексирования, а каждый столбец подключен к транзисторам доступа, которые позволяют подключать/отключать квантовые устройства, тем самым предоставляя функцию временного мультиплексирования».

Уникальный дизайн, использованный Руффино и его коллегами, позволяет их чипу одновременно считывать несколько квантовых устройств, подключенных одним проводом и работающих на разных частотах. Кроме того, устройства для считывания могут быть индивидуально выбраны с помощью транзисторов доступа.

«Чип содержит два основных модуля: модуль устройства и модуль датчика», — сказал Ян.

«Модуль устройства построен на массивном кремниевом металл-оксид-полупроводниковом полевом транзисторе (MOSFET) 40 нм с двумерной матрицей, а модуль датчика построен с металлическим резонатором индуктора-конденсатора (LC) в качестве электрометра».

Примечательно, что чип исследователей объединяет все элементы, необходимые для считывания информации, включая квантовые устройства, классические транзисторы и микроволновые резонаторы. В отличие от других ранее разработанных чипов, IC можно использовать для считывания более крупных квантовых систем, сохраняя при этом гибкую архитектуру.

«Структура нашего чипа основана на архитектуре динамической памяти с произвольным доступом (DRAM), т. е. на структуре «строка-столбец», для управления/доступа к массиву MOSFET», — сказал Ян.

«Первое преимущество использования архитектуры DRAM заключается в том, что количество управляющих линий масштабируется только сублинейно с количеством полевых транзисторов, а не линейно для случая «одна линия — один полевой транзистор». Второе — электрические состояния полевых транзисторов воспринимаются с помощью резонаторы LC используют метод микроволновой рефлектометрии, который быстрее, с более высоким разрешением и меньше занимает места на кристалле по сравнению с обычным измерением транспорта постоянного тока».

Ключевым преимуществом нового чипа является то, что два его модуля (т. е. модуль устройства и датчик) объединены с использованием стандартной и доступной в продаже 40-нм технологии CMOS. Это означает, что в будущем его можно будет легко производить в больших масштабах.

«Использованные нами объемные кремниевые MOSFET размером 40 нм ведут себя как типичные полевые транзисторы при комнатной температуре, — сказал Ян. «Однако мы обнаружили, что квантовые точки (КТ), которые являются основой для создания квантовых битов (кубитов) на основе кремния, могут быть индуцированы при низких криогенных температурах (<-272 ° C) в тех же транзисторах. демонстрация управления/доступа к массиву двумерных транзисторов с квантовыми точками в архитектуре DRAM».

Используя свою ИС, исследователи смогли продемонстрировать 2D-зондирование с временным и частотным мультиплексированием. Эти результаты демонстрируют, что двумерные массивы квантовых точек на основе кремния можно изготавливать, контролировать и контролировать с использованием существующих электронных компонентов, таких как технология CMOS.

«Я думаю, что наиболее важным достижением этой работы является демонстрация того, что все элементы, необходимые для считывания (например, квантовые устройства, классические транзисторы, микроволновые резонаторы и т. д.), могут быть интегрированы в одну интегральную схему в коммерческой технологии, работающей при 50 мК. , что микроволновое дисперсионное считывание на основе затвора возможно в одном интегрированном чипе, и что предлагаемая архитектура с комбинированным временным и частотным мультиплексированием позволяет считывать большее количество квантовых устройств при минимизации количества необходимых проводов», — сказал Руффино.

В будущем уникальная архитектура, представленная этой группой исследователей, может быть использована для считывания больших двумерных массивов кремниевых квантовых точек, а также кубитов. В конечном счете, это может помочь устранить некоторые связанные с масштабированием ограничения существующих кремниевых квантовых процессоров.

В своих следующих исследованиях Руффино, Ян и их коллеги планируют изучить возможность интеграции высокоточных кубитов на основе кремния в предлагаемую архитектуру чипа . Они надеются продемонстрировать управление/доступ и считывание двумерного массива кубитов с использованием архитектуры DRAM, которая может быть изготовлена ​​с использованием существующих электронных компонентов.

«Наши планы на будущее развитие в этой области в основном заключаются в распространении этой работы на более крупные массивы и в улучшении некоторых характеристик нашей демонстрации, таких как качество квантовых устройств и добротность микроволновых резонаторов», — сказал Руффино. . «Более того, нашей конечной целью исследования будет демонстрация нашей архитектуры в системе, реализующей коинтегрированные кремниевые кубиты».