Présentation

L'informatique quantique vise à exploiter les phénomènes mécaniques quantiques pour effectuer des calculs hors de portée des machines classiques. Un défi central dans la construction d'un ordinateur quantique pratique consiste à construire des qubits stables et évolutifs qui peuvent être fabriqués avec des techniques de fabrication de semi-conducteurs. Les nanofiltres semi-conducteurs, des structures à haut rapport d'aspect ayant un diamètre généralement inférieur à 100 nm, sont apparus comme une plateforme de pointe pour la mise en œuvre de qubits. Leur géométrie limite les électrons ou les trous dans des canaux unidimensionnels, créant des niveaux d'énergie discrets qui peuvent être utilisés comme états qubit. De plus, les nanofils peuvent être cultivés épitaxiquement sur des substrats de silicium, offrant une voie d'intégration avec la microélectronique existante.

Le rôle des nanofils semi-conducteurs dans la réalisation de qubits

Les nanofils semiconducteurs constituent une plateforme polyvalente pour plusieurs architectures qubit. Leur coupe transversale étroite et leur rapport surface-volume élevé permettent de réaliser des accouplements électrostatiques précis, essentiels pour définir les points quantiques et contrôler les couplages de tunnels. De plus, la composition matérielle des nanofils peut varier selon leur longueur, créant des hétérostructures qui limitent les porteurs dans les deux dimensions.

Architectures d'hôtes Qubit

  • Spin qubits dans des points quantiques: Nanowire quantic points formés en appliquant des tensions aux électrodes de barrière piègent des électrons ou des trous individuels. Le degré de liberté de spin d'un seul porteur sert de qubit. Les travaux récents utilisant InAs nanowires ont permis d'obtenir des temps de cohérence de spin dépassant des dizaines de microsecondes et des fidélités de porte monoqubit au-dessus de 99,9 %.
  • Qubits topologiques (modes Majorana zéro):[ Lorsqu'un nanofil avec un couplage spin-orbit puissant est placé à proximité d'un supraconducteur et soumis à un champ magnétique, les états liés à Majorana peuvent apparaître aux extrémités du fil. Ces anones non-abéliens sont protégés contre la décohérence locale, ce qui les rend prometteurs pour le calcul de la tolérance aux défauts.
  • Charger les qubits et les qubits de Gatemon: Les nanofils peuvent également former des variantes supraconductrices de qubits comme le gatemon, où une jonction nanofile semiconductrice Josephson fournit la thonabilité par une tension de la barrière.

Avantages sur d'autres plateformes

Par rapport aux qubits supraconducteurs ou aux ions piégés, les qubits de semi-conducteurs nanofils offrent plusieurs avantages uniques. Leur taille permet une intégration dense – potentiellement des millions de qubits sur une seule puce. Parce qu'ils sont fabriqués à l'aide de procédés planaires établis, ils peuvent tirer parti de l'infrastructure évolutive de l'industrie des semi-conducteurs de silicium.

Progrès dans la fabrication des techniques

Au cours des cinq dernières années, la croissance et le traitement des nanofils ont progressé rapidement, et plusieurs techniques clés ont poussé les limites de la qualité et de la reproductibilité.

Épiataxe des faisceaux moléculaires (EMB)

Dans cette méthode, les faisceaux d'atomes élémentaires (p. ex., l'indium, l'arsenic, l'antimoine) sont dirigés vers un substrat chauffé sous un vide ultra-élevé. En contrôlant les rapports de flux et la température du substrat, les chercheurs peuvent cultiver des nanofils exempts de défauts avec des interfaces atomiques brusques entre les matériaux. Les progrès récents comprennent la croissance de nanofils de coques de cœur, où un noyau semi-conducteur intérieur est enveloppé par une coquille à plus large bande. La coque réduit la diffusion de surface et améliore le transport électrique, critique pour la cohérence du qubit. Par exemple, les nanofils de coques de cœur InAs/InAlAs fabriqués par MBE ont montré des chemins libres moyens dépassant 1 μm et un bruit de charge largement réduit par rapport aux fils de charge de InAs nus. (Voir ]Krogstrup et al., Nano Lett. 15, 273 (2015).

Croissance de la vapeur‐Liquid‐Solid (VLS)

Dans le procédé VLS, une gouttelette de catalyseur métallique (souvent de l'or) est déposée sur un substrat et chauffée dans un réacteur avec des gaz précurseurs. Les précurseurs se dissolvent dans la gouttelette liquide et, après supersaturation, un nanofil solide précipite sous la gouttelette. VLS permet un contrôle précis sur le diamètre du nanofil (en fonction de la taille du catalyseur) et la longueur (en fonction du temps de croissance). Les innovations dans VLS comprennent l'utilisation de catalyseurs alternatifs tels que l'indium ou le bismuth pour éviter les pièges à niveaux profonds liés à l'or qui dégradent les propriétés quantiques.

Croissance sélective des zones (SAG)

Un masque (généralement SiO2 ou SiN) est conçu sur le substrat, et les nanofils ne poussent que dans les ouvertures exposées par épitaxie de phase de vapeurs organiques métalliques (MOVPE). SAG permet un positionnement précis des nanofils à des positions prédéterminées, une exigence d'intégration à échelle réduite. Il évite également la contamination des métaux. Les chercheurs ont utilisé SAG pour créer des réseaux verticaux de nanofils avec des diamètres uniformes et des phases de cristal contrôlé. Pour l'informatique quantique, SAG est particulièrement attrayant parce qu'il permet une intégration sans soudure avec le traitement CMOS conventionnel.

Assemblage ascendant et synthèse chimique

Les nanofils colloïdaux peuvent être produits en grandes quantités puis assemblés sur des substrats par diélectrophorèse ou par les méthodes Langmuir‐Blodgett. Bien que le niveau de cristallinité soit souvent inférieur aux fils épitaxiaux, les avancées récentes de la synthèse colloïdale des nanofils CdTe et InP ont donné des structures monocristallines de longueur allant jusqu'à 10 μm. Ces fils peuvent être déposés sur des substrats arbitraires, y compris des supports souples, ouvrant la porte à des dispositifs quantiques hybrides qui combinent des nanofils semi-conducteurs avec des résonateurs supraconducteurs sur une puce. Bien que ces méthodes ne soient pas encore compétitives pour les qubits à haute fidélité, elles sont prometteuses pour le prototypage rapide et pour l'exploration de nouveaux matériaux que MBE ou VLS ne cultivent pas facilement.

Considérations importantes concernant la cohérence quantique

Le choix du matériau semi-conducteur a un impact important sur la performance du qubit. Les principaux éléments de mérite sont le facteur g efficace, la résistance au couplage spin-orbite, la masse efficace des électrons et la densité des spins nucléaires (qui causent un déphasage hyperfin).

III‐V Semiconductors

Les deux sont de petites masses efficaces (0,023 m0 pour InAs, 0,014 m0 pour InSb), ce qui entraîne des espacements de grandes sous-bandes et une forte confinement. Ils présentent également des facteurs g élevés (=15 pour InAs, = 50 pour InSb), facilitant la manipulation de spin avec des champs micro-ondes. L'interaction forte spin-orbite dans ces matériaux est essentielle pour les qubits spin-orbites et pour créer une supraconductivité topologique. Cependant, les nanofils III-V souffrent d'états de surface qui induisent le bruit de charge et limitent la cohérence.

Silicone et germanium

Les nanofils de silicium et de germanium offrent l'avantage d'un système de matériaux matures et à faible désordonnée, sans spins nucléaires dans les isotopes les plus abondants (28Si, 70Ge). Cela élimine pratiquement la décohérence hyperfine, donnant des qubits de spin avec des temps de cohérence dépassant les secondes dans le silicium isotopiquement purifié. Bien que le couplage spin-orbite soit plus faible que dans les III-V, les chercheurs ont trouvé des moyens de manipuler les spins à l'aide de la résonance électrique de spin dipolaire via un microaimant ou un champ de gradient. L'allemand, en particulier l'hétérostructure Ge/SiGe, a récemment pris l'attention en raison de sa mobilité élevée et de son fort couplage spin-orbite dans la bande de valence.

Surmonter les défis : les défauts, les troubles et l'intégration

Malgré les progrès impressionnants, plusieurs obstacles subsistent avant que des ordinateurs quantiques basés sur nanofil puissent être construits à l'échelle.

Réduction du bruit de charge et des pièges

Au cours des dernières années, les chercheurs ont mis au point des processus de dépôt diélectrique ultra-propre qui réduisent considérablement le niveau sonore. Par exemple, l'utilisation d'un oxyde cristallin (par exemple, Al2O3 cultivé par dépôt de couche atomique) sur InAs nanowires a réduit la densité du bruit spectral de charge à moins de 10−16 e2/Hz à 1 Hz. Une autre approche consiste à utiliser une couche de dépistage, telle qu'une barrière conductrice qui est maintenue à une tension constante pour minimiser les fluctuations potentielles de surface. De plus, la croissance de structures de la coque de la coque de la coque de la coque de la coque de la coque de la coque de la coque de la coque de la coque de la coque de la coque de la coque de la coque de la coque de la coque de la coque de la coque de la coque de la coque de la coque de la coque de la coque de la coque de la coque de la coque de la coque de la coque de la coque de la coque de la coque de la coque de la coque de la coque de la coque de la coque de la coque de la coque de la coque de la coque de la coque de

Placement et intégration de circuits Nanowire

La scalabilité exige que les nanofils soient positionnés précisément sur une puce avec alignement sur des électrodes à portail préfabriquées et des résonateurs supraconducteurs. SAG aborde ce problème de façon intrinsèque, mais d'autres méthodes reposent sur des techniques de transfert. Par exemple, un seul nanofil peut être prélevé sur un substrat de croissance à l'aide d'un micromanipulateur et placé sur une puce cible avec une précision de sous-micromètre. Parallèlement, les chercheurs ont développé des approches auto-assemblage utilisant l'origami ADN ou la dielectrophorèse pour aligner les nanofils dans des réseaux parallèles.

Orientations futures : Qubits topologiques et au-delà

L'objectif le plus ambitieux de la fabrication de nanofils semi-conducteurs est la réalisation de qubits topologiques qui sont intrinsèquement protégés contre la décohérence. Les états liés à la Majorana (MBS) devraient se produire dans un nanofil avec un couplage spin-orbit fort lorsqu'ils sont placés en contact avec un supraconducteur à ondes s et un champ magnétique le long de l'axe du fil. Depuis leur proposition théorique, des centaines d'expériences ont signalé des signatures compatibles avec la MBS, mais une preuve concluante reste insaisissable. Le principal obstacle est le désordre – même une petite quantité de fluctuations potentielles le long du fil peut mimer les signatures de Majorana.

Au-delà de Majoranas, des nanofils sont également explorés pour les opérations de tresse utilisant l'interférométrie électronique et pour l'encodage des qubits dans la parité de deux paires de Majorana séparées spatialement. Cela nécessiterait des réseaux de nanofils connectés en réseaux – akin à une version quantique d'un circuit classique. La fabrication de géométries aussi complexes est en cours en utilisant la Lithographie SAG et les faisceaux d'électrons pour créer des fils à branches Y et des tourniquets d'électrons à base de points quantiques.

D'autres directions émergentes incluent l'utilisation de matériaux bidimensionnels tels que les dichalcogénides de métaux de transition (p. ex. MoS2, WS2) comme nanofils lui-même (bien qu'ils soient généralement étudiés comme des flocons, ils peuvent être roulés en nanotubes) ou comme diélectrique de porte pour les nanofils conventionnels. De plus, la combinaison de nanofils avec des circuits supraconducteurs a conduit au qubit de --gatemon, qui combine la thonabilité d'une jonction semiconducteur avec la longue cohérence d'un transmon supraconducteur.

Conclusion

La fabrication de nanofiltres semiconducteurs a connu une révolution au cours de la dernière décennie, passant d'expériences de démonstration de conception à des dispositifs qui atteignent régulièrement des temps de cohérence dans la gamme de microsecondes et des fidélités de porte supérieures à 99,9 %. Les techniques de croissance MBE, VLS et SAG produisent maintenant des nanofiltres avec des défauts minimes, des mobilités élevées et des dimensions contrôlées avec précision. En choisissant des matériaux appropriés (III-V pour les qubits spin-orbit et Majoranas; Si/Ge pour la cohérence ultra-long spin), les chercheurs peuvent adapter les propriétés qubits à leur architecture spécifique. Les défis restants – bruit de charge, précision de placement et uniformité matérielle – sont abordés par des systèmes de passivation innovants, métrologie in situ et intégration avec des processus compatibles CMOS.