Bei bestimmten komplexen Rechenaufgaben, wie der Entwicklung neuer Medikamente oder der Simulation physikalischer Prozesse, könnte ein Quantencomputer exponentiell bessere Leistungen erbringen als klassische Computer. Um jedoch einen einsatzfähigen Quantencomputer zu erhalten, müssen wir eine Skalierung auf Millionen miteinander verbundener Qubits (die Rechnereinheiten eines Quantencomputers) erreichen, und zwar mit hoher Zuverlässigkeit und präziser Steuerung.
Silizium-Qubits: Warum die Chipindustrie den Takt vorgibt
Von den verschiedenen derzeit untersuchten Quantenplattformen gelten Silizium-Quantenpunkt-Spin-Qubits als vielversprechender Kandidat für die industrielle Skalierung und werden oft als „die Qubits der Industrie“ bezeichnet. Ihr Herstellungsprozess ist weitgehend kompatibel mit der Produktion von Standard-Computerchips auf Siliziumbasis (CMOS) – einem Forschungsbereich, in dem sich Imec in den letzten Jahrzehnten zu einer weltweit anerkannten Autorität entwickelt hat.
„Wir können auf jahrzehntelange Innovationen im Halbleiterbereich zurückgreifen und das gesamte Ökosystem der Silizium-Skalierung nutzen, um Quantenbausteine über Laborversuche hinaus zu groß angelegten, industriell herstellbaren Systemen zu entwickeln. Hier haben Quantenbits auf Siliziumbasis einen klaren Vorteil“, erklärt Sofie Beyne, Projektleiterin und Ingenieurin für Quantenintegration bei Imec.
Silizium-Quantenpunkt-Spin-Qubits schließen ein Elektron in einer Silizium-Nanostruktur (der Gate-Schicht) ein. Der „Spin-Zustand“ des eingeschlossenen Elektrons wird zur Speicherung von Quanteninformation genutzt. Die Abstände zwischen den verschiedenen Gates müssen minimiert werden, um Umgebungseinflüsse zu begrenzen. Imec ist es gelungen, ein funktionierendes Netzwerk von Qubits mit Abständen von knapp 6 nm herzustellen. Mit der nanoskaligen Abmessungen dieser Hardwarekomponente können theoretisch Millionen von Quantenbits auf einem einzigen Chip integriert werden.
„High-NA-EUV ermöglicht die präzise Strukturierung von Silizium-Quantum-Dot-Qubits. Da die Kopplungsstärke zwischen benachbarten Quantum Dots exponentiell mit dem Abstand zwischen ihnen zunimmt, müssen wir Lücken von wenigen nm zwischen den Steuerelektroden der Quantum Dots zuverlässig strukturieren. Dies ist eine echte technische Meisterleistung, die wir unseren Integrations- und Strukturierungsteams sowie der herausragenden High-NA-EUV-Technologie von ASML zu verdanken haben“, sagt Kristiaan De Greve, Imec Fellow und Programmdirektor für Quantencomputing.
Von der Labordemo zur 300-mm-Fertigung: Der nächste Skalierungsschritt
Diese Demonstration baut auf früheren Ergebnissen von Imec mit Spin-Qubits aus Silizium-Quantenpunkten auf, die bereits gezeigt haben, dass CMOS-kompatible Prozesse zu geringem Ladungsrauschen und einem stabilen Qubit-Betrieb führen können. Durch die Einbindung der High-NA-EUV-Lithografie in den Produktionsprozess verlagert sich der Fokus von einzelnen Demonstrationsbauelementen im Labor hin zu reproduzierbaren Quantenbits, die für 300-mm-Fertigungsanlagen geeignet sind.
Es ist zwar offensichtlich, dass die High-NA-EUV-Lithografie für Logik- und Speichertechnologien mit einer Strukturbreite unter 2 nm entscheidend sein wird, die das rasante Wachstum fortschrittlicher KI und Hochleistungsrechner vorantreiben, doch wird nun deutlich, dass sie auch eine zentrale Rolle bei der Hardware für das zukünftige Quantencomputing spielen wird.
