מחשוב מודרני עומד על סף טרנספורמציה המונעת על ידי מיזוג של קוונטים ועיבוד קלאסי.מיקרומעבדים, המנועים של מחשוב קלאסי, חייב להתפתח כדי להתאים ביטים קוונטיים (qubits) הפועלים תחת עקרונות פיזיים שונים ביסודו.ההה של שבבים היברידיים כאלה דורש טכניקות ייצור חדשניות המבטיחות תאימות, יציבות ודרגתיות.

הצורך ב-Fobricationing Approaches

מיקרומעבדים קלאסיים בנויים באמצעות מערך מתכת-חמצני מבוסס היטב (CMOS) תהליכים אופטימיזציה עבור ניתוח בטמפרטורה החדר ולוגיקה בינארית. Qubits, עם זאת, סביבות הביקוש כי הם פקודות של חומר קשיח יותר - לעתים קרובות בטמפרטורות מילימטר, עם בידוד קיצוני מרעש אלקטרומגנטי, ועם ייצור סובלנות נמדדת באטומים.

לכן חוקרים מפתחים זרמי ייצור שיכולים להתמודד הן שכבות מתכת בעלות גבוהה של לוגיקה קלאסית ואת המבנים העדין, לעתים קרובות דו-ממדיים, qubit. זה ייצור דו-תכליתי דורש חידושים בכל שלב: בחירה תת-סטריט, פוזיציה, ליתוגרפיה, גירוד, ואריזות.המטרה היא לייצר שבבים בקרה קלאסית וקווי-quexist co-conexist על אותה תת-strate או אותה קיבולת תקשורת חיצונית, המאפשרתקפה נמוכה.

התקדמות טכנולוגית חשובה

Extreme Ultraviolet (EUV) Lithography

ליתוגרפיה אולטרה סגול קיצוני (ב 13.5 Nm גל אורך) כבר אפשרה יצירת טרנזירים עם גדלים תכונה מתחת 10 nm ב צומת מתקדם כמו אינטל 4 ו TSMC N3. עבור מעגלים קוונטיים, האיחוד האירופי מספק את ההחלטה הדרושה כדי דפוס qubit אלקטרודות, ג'וזף צ'ונסון, ו resoning resons עם דיוק חסר תקדים.

ניסויים אחרונים הוכיחו כי מבנים מוגדרים באיחוד האירופי באלומיניום ו niobium יכולים להשיג את הגנות הנוכחיות הקריטיות הנדרשות עבור qubits transmon יציב. בעוד כלים EUV יקרים ודורשים סביבות ריק, האימוץ שלהם במרקם קוונטי הוא מאיץ כפי שמצאו כי מבקש להציע תהליכים מיוחדים עבור לקוחות מחשוב קוונטי.

3D Heterogeneous אינטגרציה

שילוב מונוליטי של qubits ו transistors קלאסי על אותו למות הוא מאתגר כי התקציבים תרמיים וחומרים שונים באופן דרמטי. 3D heterogeneous אינטגרציה circumvent זה על ידי ערימה בנפרד מת באמצעות silicon דרך (TSVs) ו micro- micro-bumping אג"ח. Quantum מת - המכילה מערך של superconducting qubits - הם מופרשים בתהליכים ייעודיים לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, 000.

גישה זו מפחיתה את מספר החוטים המסתובבים בין טמפרטורת החדר לבין שלבים מבוכיים, צוואר בקבוק גדול לסקאלה.אינטל הדגים שבב מבחן קוונטי תלת-ממדי שמחבר מערך 12 סיביות לבקר Cryogenic באמצעות 49 מיקרומטר סט מיקרו-בומפנזים. TSVs דחוסים דרך סיליקון ולוחצים עם superconductors כדי לשמור על התנגדות נמוכה בטמפרטורות mK נוספות ניתן למצוא על תהליך של IntelF: 1.Fant: 1.10 ניתן למצוא את הפרסומים הבאים שלהם: 1.

יצירת חומרים

בדרך כלל שימוש ב-qubits אלומיניום או niobium אלקטרודות עם מחסום מנהרה חד תחמוצת אלומיניום.עם זאת, הביצועים של חומרים אלה מוגבל על ידי מערכת שתי רמות (TLS) מ תחמוצת amorphous oxides בממשקים. חידושים אחרונים כוללים את השימוש של טנטלום, אשר יוצר תחמוצת אוויר יציבה יותר, ו Niobtiium-Nbium-Nemation-inium-inium-inium-inium-inium-inium-inium-inium-inium זה דורש הפסדים גבוהים יותר.

כיוון מבטיח נוסף הוא השימוש של superconductors גבישי כמו rhenium ו molybdenum-rhenium ⁇ s, אשר יכול להיות גדל אפיטקסיאלי על סיליקון או ספירת ספירה substrates.חומרים אלה לחסל גבולות דגנים לתרום לרעש.The FLT:0MIT-Lincoln מעבדהFLT:1 הוכיח כי qubits עם rhenium coconenium סגסוגת מעל 300 פעמים.

Cryogenic-Compatible Process Development

פעולות המרקגן עצמן חייבות לעבוד באופן אמין בטמפרטורות מבוכות.לדוגמה, כאשר קשקשים קרירים ל-4K, ההתרחבות התרמית של ההתפשטות התרמית בין חומרים עלולה לגרום ללחץ ולדהמה. מתכונים חדשים בתהליך משתמשים ב- PECVD (plasma-enhanced àanced Chemical vapor deposition) כדי להפקיד דיאלקטריות כמו SiO2 ו- SixN עם לחץ מינימלי, בנוסף ל- 10.

תחנות דיג בכיוגניות, משולבות בקו הפאב, מאפשרות בדיקות חשמל מיידיות בטמפרטורות mK ללא הסרת קשקשים.הלולאה משוב זו מקצרת מחזורי פיתוח על ידי זיהוי ביצועים נמוכים מוקדם של חברות כמו Quantware ו- Seeqc השקיעו בקריאות ייעודיות כי משלבות כלי CMOS סטנדרטיים עם מודולים מכווצים.

אתגרים קריטיים

המונחים: Qubit Coherence and Decoherence

המדד המרכזי של איכותו של qubit הוא זמן ההנעה שלו - משך הזמן שבו מידע קוונטי נשאר שלם. Decoherence נובע מהפיכה לרעש סביבתי: תנודות מטען, רעש פלוקס ופונינים. חידושים מרקם תוקף ישירות מקורות אלה.לדוגמה, באמצעות ממשקי superconductor-inulator מוליכים למחצה מפחיתים את רעש TLS על ידי סדר של גודל של קירור (זמן קצר) ו-ידי מיקרו-חמצני, למשל, הוא עבר ספירת זמן, 000 שניות, 000, 000, 000 זמן, 000, 000 זמן, 000, 000, 000, 000 שניות) לספירציה, 000 לאחור, 000 זמן, 000 לאחור, 000 זמן, 000, 000 לאחור) היה על פני השטח, 000, 000 מוליכים-אווירה, 000, 000, 000 סגסוגת לאחור, 000 זמן, 000 זמן, 000 זמן, 000 מוליכים-אווירה, 000 זמן, 000 שניות) היה על פני השטח) היה על פני השטח של חומר סגסוגת לאחור, 000, 000, 000 זמן, 000 זמן, 000 זמן, 000 זמן, 000 זמן, 000 מוליכים סופר מוליכים סופר מוליכים סופר מוליכים סופר סגסוגת לאחור, 000 זמן, 000 זמן, 000 זמן, 000 זמן, 000

גישה נוספת היא לגוון את ה-qubits עם פער "שלייקון-vacuum" באמצעות השעיה מיקרו-מכנית. על ידי גרד את המצע מתחת ל-qubit, הערוץ הדומיננטי של אובדן דרך תת-קרקעי הוא מסולק.טכניקה זו, שהוכח על ידי חוקרים בפרינסטון ובייל, דורש סטיות מדויקות ונקודת קריטיות כדי למנוע סטיות.

ניהול תרמי בטמפרטורות Cryogenic

כאשר מיקרומעבד קלאסי פועל בטמפרטורות מבוכות, החום מתפזר על ידי מיליארדי טרנזיסטורים חייב להיות הוסר ביעילות תוך שמירה על מערך ה-qubit מתחת 20 mK. טמפרטורות סטנדרטיות הם לא יעילים כי חומרים כמו סיליקון יש מוליכות תרמית גרועה בטמפרטורות נמוכות.דיגה טכניקות כגון הטמעת פחמן דמוי יהלום (DLC) התפשטות חום ישירות לתוך interposer, או באמצעות חנקן נוזל עבור microliium הם נחקרים.

יתר על כן, אלקטרוניקה הבקרה עצמה חייבת לפעול ב-4K עם פיזור חשמל נמוך. â-flux-quantum (SFQ) לוגיקה, בהתבסס על צומת ג'וזףסון, יכול לפעול עם כוח מיקרו-וואט לשער ובאופן טבעי ממשקים עם qubits מוליכים על ידי SFQ מעגלים דורש תהליכים דומים ל-qubits אבל עם צומת ביקורתי יותר של התפתחות של מיקרוסקופית עבור רכיבי בקרה גדולים כמו גם עבור מרכזי של מעבדה של IQ.

סקלאלה ויצחק

מעבדי הקוונטים של היום מכילים עשרות עד כמה מאות נקודות.מחשבים קוונטיים יעילים של תקלות-סובלניים ידרוש מיליוני. Scaling המרקם למספרים כאלה דרישות תשואה מעל ⁇ 9% עבור כל רכיב qubit.זה הרבה מעבר לרמות הנוכחיות שבהן פנויות ופגמים לגרום לקצב של 10-20% עבור רצף. Solutions כוללים שליטה סטטיסטית עם בדיקה אופטית (AOI) של תת- 100m, תכונות ריקות ופגמים כאשר הם לא מתאימים.

תהליך-עיצוב משותף (PDCO) - מתודולוגיה שנלקחה מ-CMOS מתקדם - מוחל כעת על פריסת ה-qubit. על ידי הדמיה של התנהגות חשמלית ו קוונטית של פריסות מועמדים לפני ביצוע מסיכה, מצאות יכולות לזהות מבנים רגישים להשפיל או תחריט ו- IBM ו-Google דיווחו על שימוש בלמידה מכונה כדי לזהות במהירות פרמטרים אופטימליים כי למקסם את הכפלת הכפלת הכפלת הכפלת הכפלת התשואות על פני תשואות.

אדריכלות לשילוב הקוונטי-קלאסי

אלקטרוניקה על-Chip

צוואר בקבוק מרכזי במערכות קוונטיות הנוכחיות הוא המתפתל בין חומרה בקרת החדר לבין השבב ה Cryogenic.כל qubit בדרך כלל דורש כבל קואקסיאלי עבור כונן מיקרוגל וקריאה, אשר מציג עיכוב, עומס חום, ועלות. Cramming שליטה אלקטרוניקה על אותו שבב או החבילה כמו ה-qubits להפחית את הבעיות האלה.זה דורש ייצור נמוך כוח במהירות גבוהה, במהירות גבוהה CM שפועלת באופן סביר על מעגל KOS 4.

ייצור של טרנזיסטור Cryo-CMOS משתמש בפרופילים אופטימיזציה ו- תחמוצת שער ששומרים על מתחי סף ולהפחית את ההשפעות של הקפאה.כמה קבוצות הוכיחו מגבר תפעולי, ממירים דיגיטליים לanalog, ו גנרטורים בתדרים ב-28 nm CMOS שפועלים ב-4K עם FLT:0 נייר טבע על בקרת BBO-CMOS מספק מדד מפורט של מערכות:1.

טעות קוונטית תיקון לוגיקה

מחשוב קוונטי-סובלני מסתמך על קודי תיקון שגיאות הדורשים הרבה נקודות פיזיות לקוויט הגיוני, יחד עם ההיגיון הקלאסי למדידת תסמונת ומשוב. integraing לוגיקה קלאסית זו ברמת הבכיוגנית דורשות ASICs מותאם אישית מסיבית או FPGAs שיכולה לבצע קידוד במסגרות תת-מיקרו-שניות?

מעבד Sycamore של גוגל והמכשירים הבאים משלבים שכבת לוגיקה של בקרה קלאסית המבצעת מחזורי תיקון שגיאות ב- 1 μs.ההההה של השבבים האלה משתמשת בתהליך מותאם אישית של 22 nm עם דרך מצע דרך חיבור לשכבת ה-qubit.המטרה היא בסופו של דבר להחנות את מנוע התיקון המלא שבב יחיד, לחסל כבלים חיצוניים לחלוטין.

כיוונים עתידיים

המונחים: Diamond Based Qubits

בעוד שרוב המאמצים הנוכחיים מתמקדים ב-superconducting qubits, מרכזי חנקן (NV) ביהלומים הופיעו כ-qubits חזקים שפועלים בטמפרטורת החדר.שילוב שלהם עם מיקרו-מעבדים קונבנציונליים, עם זאת, דורש ייצור של תת-קרקעית יהלום על-ידי מרכזים אלקטרו-מזרחיים מאתגרים כגון מרכזי NV. התקדמות לאחרונה בכתב לייזר ו- השתלות המאפשר יצירתם של NV פעיל ביעילות יש שימושים ב-NVents.

אינטגרציה של סיליקון

מידע קוונטי יכול גם להיות מקודד בפוטונים.סיליקון פוטוניקה, שבו אור מונחה במשכי גל הסיליקון, יכול ליצור ולתפעל qubits פוטוניים עם תהליכים תואמים CMOS.ההההה של מקורות שבבים (משותף ארבעה גליגלים גליגלים), משמרות שלב וגלאיים באמצעות דגימות ⁇ כבר אפשרי.

שילוב של גלאי תמונה אחידים (SNSPDs) עם מעגלים פוטוניים סיליקון הוא אזור פעיל של חדשנות ייצור. SNSPDs עשויים מ niobium nitride או hafnium סרטים; הם מופקדים ו מטושטשים ישירות על גבי שכבת פוטוניקה סיליקון.האתגר הוא להתאים את ננוwire בדיוק על הגל מונח עם דיוק ריבועי של ânm10.

השפעה סוציו-אקונומית ותעשייתית

השילוב המוצלח של מחשוב קוונטי עם מיקרומעבדים קלאסיים יחשפו יכולות שאינן מגיעות כרגע.בקריפטוגרפיה, שבבים היברידיים קוונטיים-קלאסיים יכולים ליישם את האלגוריתם של שאור על מאיצים ייעודיים תוך שמירה על מארח קלאסי עבור קלט / קידוד ואבטחה.גילוי סמים יכול למנף סימולציה קוונטית של אינטראקציות מולקולריות, עם חלקים קוונטיים המוצבים ליד מעבדי נתונים קלאסיים.

תעשיות שמסתמךות על סימולציה מהירה ואופטימיזציה - אווירול, רכב, לוגיסטיקה - יראו יתרונות ישירים.עם זאת, השינוי יהיה הדרגתי.היישומים הראשונים יהיו אופטימיזציה בהשראת קוונטי ולמידה מכונה קוונטית, שבו המיקרומעבד הקלאסי מטפל ברוב עומס העבודה ואת הליבה הקוונטית פותרת חלקיקים ספציפיים.

תעשיית המוליכים למחצה עצמה עומדת להשיג.הביקוש לאריזות מתקדמות (3D ערימה, TSV) וחומרים מיוחדים (על-מוליכים, דיאלקטריקה מבוכת) פותח זרמי הכנסות חדשים עבור משווקים.ציוד ציוד כבר מפתחים כלים עבור qubit-class-class פיזור סרט דק.השוק הגלובלי עבור ציוד ייצור קוונטי צפוי לעלות על 2 מיליארד דולר עד 2030.

מסקנה

ייצור מיקרו-מעבד עבור שילוב מחשוב קוונטי מתקדם בחזיתות מרובות: ליתוגרפיה כדי ליצור תכונות בקנה מידה אטומי, שילוב heterogeneous כדי להתחתן חומרים נפרדים ואזורי טמפרטורה, מוליכות חדשות אשר להאריך קוביט קוהרנטיות, ו תהליכים מבעוטים כי להביא שליטה אלקטרוניקה קרוב יותר ל-qubits. אתגרים סביב קוהרנטיות, ניהול תרמי, ולהישאר גמישה עבור שילוב של טכניקות משולבות אחד, אך לא ניתן לשלב את הטכניקות מתקדמות של ייצור אחד, אבל זה לא ניתן לשלב את הטכניקות מתקדמות יותר.