Inleiding

Quantum computing is bedoeld om quantum mechanische fenomenen te exploiteren om berekeningen uit te voeren buiten het bereik van klassieke machines. Een centrale uitdaging bij het bouwen van een praktische quantumcomputer is het bouwen van stabiele, schaalbare qubits die kunnen worden vervaardigd met halfgeleider fabricagetechnieken. Geprefabriceerde nanodraden .high-aspect-ratio structuren met diameters typisch onder 100 nm .Hun geometrie beperkt elektronen of gaten in eendimensionale kanalen, het creëren van discrete energieniveaus die kunnen worden gebruikt als qubit states . Daarnaast kunnen nanodraden epitaxisch worden gekweekt op siliciumsubstraten, die een pad bieden naar integratie met bestaande micro-organismen. In het afgelopen decennium, vooruitgang in fabricagemethoden zoals moleculair-beam epitaxie, damp-liquid-solidale-groei, en bottom-up chemische assemblage hebben de zuiverheid, uniformiteit en kwantumcohersensisten van nanowire apparaten drastisch verbeterd. Dit artikel beoordeelt de nieuwste ontwikkelingen in halfgeleider nanowire fabricage voor kwantum computing, benadrukt materiaalspecifieke uitdagingen, en bespreekt de stappen naar fout-tolerante kwantumprocessoren.

De rol van Semiconductor Nanowires in Qubit Realisatie

Semiconductor nanodraden bieden een veelzijdig platform voor verschillende qubit-architecturen. De smalle doorsnede en de verhouding van het oppervlak tot het volume maken nauwkeurige elektrostatische vering mogelijk, wat essentieel is voor het definiëren van quantumpunten en het regelen van tunnelkoppelingen. Bovendien kan de materiaalsamenstelling van nanodraden variëren langs hun lengte, waardoor heterostructuren worden gecreëerd die dragers in beide dimensies beperken. Deze flexibiliteit heeft het mogelijk gemaakt spin qubits, vallei qubits en topologische qubits te demonstreren.

Qubit Host Architectures

  • Spin qubits in quantum dots: Nanowire quantum dots gevormd door het aanbrengen van spanning op gate elektroden vangen individuele elektronen of gaten. De spingraad van vrijheid van een enkele drager dient als de qubit. Recent werk met behulp van InAs nanowires heeft spin coherentietijden bereikt die meer dan tientallen microseconden en single-qubit gate trouwheden boven 99,9%.
  • Topologische qubits (Majorana nul modi): Wanneer een nanodraad met sterke spin-baankoppeling in de nabijheid van een supergeleider wordt geplaatst en onderworpen aan een magnetisch veld, kunnen Majorana gebonden staten verschijnen aan de draad uiteinden. Deze niet-Abelse anionen zijn beschermd tegen lokale decoherentie, waardoor ze beloven voor fout-tolerante berekening. InSb en InAs nanowires zijn de primaire materialen voor Majorana experimenten.
  • Steun qubits en Gatemon qubits: Nanowires kunnen ook supergeleidende qubit varianten vormen zoals de gatemon, waar een halfgeleide nanowire Josephson connectie zorgt voor tonijnbaarheid via een gate voltage.

Voordelen over andere platforms

In vergelijking met supergeleidende qubits of ingesloten ionen, halfgeleider nanodraad qubits bieden verschillende unieke voordelen. Hun grootte maakt dichte integratie mogelijk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Vooruitgang in de techniek van de Fabricage

De afgelopen vijf jaar is er snelle vooruitgang geboekt in de groei en verwerking van nanodraad. Verschillende belangrijke technieken hebben de grenzen van kwaliteit en reproduceerbaarheid verleggen.

Moleculaire Boom Epitaxie (MBE)

MBE is de gouden standaard voor het kweken van hoge-zuiverheid III‐V nanodraden. In deze methode, stralen van elementaire atomen (bijvoorbeeld indium, arseen,

Vapor-Liquid-Solid (VLS) Groei

In het VLS-proces wordt een metalen katalysatordruppel (vaak goud) afgezet op een substraat en verwarmd in een reactor met voorlopergassen. De precursoren lossen op in de vloeistofdruppel en bij oververzadiging, een solide nanodraad neerslag onder de druppel. VLS maakt nauwkeurige controle over nanodraaddiameter (ingesteld door de katalysatorgrootte) en lengte (via groeitijd). Innovaties in VLS omvatten het gebruik van alternatieve katalysatoren zoals indium of bismut om goudgerelateerde diepe-level vallen te vermijden die quantumeigenschappen afbreken. Met behulp van goud-vrije VLS, zijn groepen gegroeid InSb nanodraden met een beweeglijkheid groter dan 5×104 cm2/V·s, die essentieel zijn voor het observeren van ballistische transport en Majorana-signatures. Recent werk toont aan dat in situ katalysatorengineering]] kunnen produceren atomisch gladde nanowire oppervlakken, verdere reductiestoornis (zie Gazibegović et al. Nat. Nanotechnol. 13, 1073] ].

Selectieve oppervlaktegroei (SAG)

SAG is een alternatieve aanpak die geen katalysator nodig heeft. Een masker (typisch SiO2 of SiN) wordt op het substraat gepatroont en nanodraden groeien alleen in de blootgestelde openingen via metaal-organische dampfase epitaxie (MOVPE). SAG maakt nauwkeurige plaatsing van nanodraden op vooraf bepaalde posities, een vereiste voor opschaalbare integratie. Het voorkomt ook metaalbesmetting. Onderzoekers hebben SAG gebruikt om verticale arrays van nanodraden met uniforme diameters en gecontroleerde kristalfasen te creëren. Voor quantumcomputers is SAG bijzonder aantrekkelijk omdat het naadloze integratie met conventionele CMOS-verwerking mogelijk maakt. Recente resultaten tonen aan dat SAG-grown InAs nanodraden een vergelijkbare transportkwaliteit vertonen als VLS-draden, met lage temperatuurcontactweerstanden onder de 100 Ω (zie ] Fasth et al., Nano Lett. 21, 3537 (2021)[).

Bodem-up assemblage en chemische synthese

Bottom-up technieken gebruiken chemische reacties in oplossing om nanodraden te kweken zonder katalysator. Colloïdale nanodraden kunnen in grote hoeveelheden worden geproduceerd en vervolgens worden gemonteerd op substraten via dielektroforese of Langmuir-Blodgett methoden. Hoewel het niveau van kristalliniteit vaak lager is dan epitaxiale draden, hebben recente vooruitgang in de colloïdale synthese van CdTe en InP nanodraden geleid tot single-kristallijne structuren met een lengte tot 10 μm. Deze draden kunnen worden afgezet op willekeurige substraten, waaronder flexibele, open de deur naar hybride quantum apparaten die halfgeleider nanodraden combineren met supergeleidende resonatoren op een chip. Hoewel nog niet concurrerend voor high-fidelity qubits, bottom-up methoden zijn veelbelovend voor snelle prototypes en voor het verkennen van nieuwe materialen die niet gemakkelijk worden gekweekt door MBE of VLS.

Materiële overwegingen voor de Kwantumsamenhang

De keuze van halfgeleidermateriaal is sterk van invloed op de prestaties van qubit. De belangrijkste verdienste is onder meer de effectieve g-factor, spin-orbit koppelkracht, elektron effectieve massa en de dichtheid van kernspins (die hyperfijne defasering veroorzaken).

III-V Semiconductoren

Indium arsenide (InAs) en indium antimonide (InSb) zijn de meest bestudeerde III-V nanodraadmaterialen voor kwantumberekening. Beide hebben kleine effectieve massa's (0,023 m0 voor InAs, 0,014 m0 voor InSb), wat leidt tot grote subbandafstanden en sterke opsluiting. Ze vertonen ook hoge g-factoren (≈15 voor InAs, ≈50 voor InSb), het faciliteren van spinmanipulatie met magnetronvelden. De sterke spin-orbitinteractie in deze materialen is essentieel voor spin-orbit qubits en voor het creëren van topologische supergeleiding. Echter, III-V nanodraden lijden aan oppervlaktestaten die belastingsruis veroorzaken en de samenhang beperken. Geavanceerde passivatiestrategieën, zoals in situ depositie van een high-k diële (Al2O3 of HfO2) via atomic layer depositie, hebben aangetoond dat ze lage-frequentiebelastingsgeluidsgeluid verminderen door twee orden van grootte (zie ) De fysische eigenschappen 12, 034035 (2019) [F]].

Silicium en germanium

Silicium en germanium nanodraden bieden het voordeel van een volwassen, laag-disorder materiaalsysteem zonder nucleaire spins in de meest voorkomende isotopen (28Si, 70Ge). Dit elimineert bijna hyperfijne decoherentie, waardoor spin qubits met een coherentie tijd groter dan seconden in isolystisch gezuiverd silicium. Hoewel de spin-orbit koppeling zwakker is dan in III‐Vs, hebben onderzoekers manieren bedacht om spins te manipuleren met behulp van elektrische dipool spin resonantie via een micromagnet of een gradiënt veld. Germanium, vooral de Ge/SiGe heterostructuur, heeft onlangs de aandacht gekregen vanwege zijn hoge gatmobiliteit en sterke spin-orbit koppeling in de valentie band. Gate spin qubits in germanium nanodraden hebben een veelbelovende quantum computing getoond. Uitdagingen voor Si en Ge nanodraden omvatten het bereiken van lage contactweerstand (vooral voor gaten) en integreren met supergeleiders voor topologische experimenten.

Uitdagingen overwinnen: gebreken, stoornis en integratie

Ondanks de indrukwekkende vooruitgang blijven er nog verschillende hindernissen bestaan voordat nanodraadgebaseerde quantumcomputers op schaal kunnen worden gebouwd.

Vermindering van Charge Noise en Vallen

Laadgeluid van fluctuerende defecten in het oxide of aan het nanodraadoppervlak is een van de primaire decoherentiebronnen. De laatste jaren hebben onderzoekers ultraschone diëlektrische depositieprocessen ontwikkeld die het geluidsniveau drastisch verlagen. Bijvoorbeeld, gebruik makend van een kristallijn oxide (bijvoorbeeld Al2O3 gekweekt door atomaire laagdepositie) op InAs nanowires heeft de ladingsgeluidsspectraaldichtheid verlaagd tot minder dan 10−16 e2/Hz bij 1 Hz. Een andere benadering is om een screeninglaag te gebruiken, zoals een geleidende poort die wordt gehouden op een constante spanning om oppervlakte-potentiaalschommelingen te minimaliseren. Bovendien, de groei van kern-schilstructuren met een breed-bandgap-shell (bijv. InAs/GaAsSb) beweegt de elektronengolffunctie effectief weg van het oppervlak, waardoor oppervlakte-gerelateerde vallen worden beperkt.

Nanowire-positionering en integratie van circuits

Schaalbaarheid vereist dat nanodraden precies op een chip worden geplaatst met uitlijning naar prefab gate elektroden en supergeleidende resonatoren. SAG pakt dit probleem inherent aan, maar andere methoden zijn afhankelijk van overdrachtstechnieken. Zo kan een enkele nanodraad worden opgehaald uit een groeisubstraat met behulp van een micromanipulator en geplaatst op een doelchip met sub-micrometernauwkeurigheid. Parallel hebben onderzoekers zelfassemblagebenaderingen ontwikkeld met behulp van DNA origami of dielektroforese om nanodraden in parallelle arrays uit te lijnen. Een belangrijke stap voorwaarts kwam uit de demonstratie van een 4×4 kruis-bar array van InAs nanodraden met individuele poortbesturing, elk hostend een quantum stip die kon worden uitgelezen door een oplaadsensor (zie Nature 584, 545 (2020) ). Dit niveau van integratie is een voorwaarde voor multi-qubit bewerkingen in een quantumprocessor.

Toekomstige aanwijzingen: Topologische Qubits en verder

Het meest vergaande doel van halfgeleider nanodraad fabricage is de realisatie van topologische qubits die intrinsiek beschermd zijn tegen decoherentie. Majorana gebonden staten (MBS) worden voorspeld te voorkomen in een nanodraad met sterke spin-baan koppeling wanneer geplaatst in contact met een s-golf supergeleider en een magnetisch veld langs de draadas. Sinds hun theoretische voorstel, honderden experimenten hebben gemeld handtekeningen consistent met MBS, maar overtuigend bewijs blijft ongrijpbaar. De belangrijkste belemmering is stoornis zelfs een kleine hoeveelheid potentiële schommelingen langs de draad kan nabootsen Majorana handtekeningen. Recente vooruitgang in nanodraad kwaliteit .door verbeterde groei, schonere interfaces, en betere supergeleider depositie (bijv., in situ schaduw-masker technieken om Al op InSb nanodraads) hebben verminderd tot minder dan 100 nm. Theoretische werk suggereert dat met mobiliteit boven 105 cm2/V·s en sub-micrometer is de waarneming van de imperatieve gedragsingsvoorstelling (bijvoorbeeld in de vorm van een nul rokendeun gun .

Naast Majoranas worden ook nanodraden onderzocht voor het vlechten van bewerkingen met behulp van elektronische interferometrie en voor het coderen van qubits in de pariteit van twee ruimtelijk gescheiden Majoranaparen. Dit zou netwerken van nanodraden die verbonden zijn in arrays .akin aan een quantumversie van een klassieke circuit vereisen. Fabricage van dergelijke complexe geometrieën is gaande met behulp van SAG en elektronen-beam lithografie om Y-getapte draden en quantum-dot-gebaseerde elektronen-turnstiles te creëren.

Andere opkomende richtingen zijn het gebruik van tweedimensionale materialen[] zoals transition-metaaldichhalcogeniden (bv. MoS2, WS2) als nanodraadmateriaal zelf (hoewel dit meestal als vlokken wordt bestudeerd, kunnen ze in nanobuisjes worden gerold) of als poort voor conventionele nanodraden. Daarnaast heeft de combinatie van nanodraden met supergeleidende circuits geleid tot de .gatemon qubit, die de tonijnbaarheid van een halfgeleide verbinding combineert met de lange samenhang van een supergeleidende transmon. In overall meldde een team van de TU Delft een gatemon qubit met T1 boven 100 μs, die de conventionele transmons met elkaar vergelijkt.

Conclusie

Semiconductor nanowire fabrication heeft een revolutie ondergaan in de afgelopen tien jaar, waarbij de overgang van proof-of-concept experimenten naar apparaten die routinematig samenhangtijden bereiken in het microsecondebereik en poorttrouwen boven 99,9%. MBE, VLS en SAG groeitechnieken leveren nu nanodraden met minimale defecten, hoge mobiliteit en nauwkeurig gecontroleerde afmetingen op. Door passende materialen te kiezen (III-Vs voor spin-orbit qubits en Majoranas; Si/Ge voor ultra-lange spincoherentie), kunnen onderzoekers de qubits eigenschappen aanpassen aan hun specifieke architectuur. De resterende uitdagingen kunnen ruis, plaatsingsnauwkeurigheid en materiaaluniformiteit worden aangepakt door middel van innovatieve passivatieschema's, in situ metrologie en integratie met CMOS-compatibele processen. Met continue vooruitgang kunnen halfgeleider nanowire-gebaseerde quantumprocessors binnen tien jaar een realiteit worden, waarbij de rekenkracht onsluitend is.