Введение

Квантовые вычисления направлены на использование квантово-механических явлений для выполнения вычислений, недоступных классическим машинам. Центральной задачей при создании практического квантового компьютера является создание стабильных масштабируемых кубитов, которые могут быть изготовлены с помощью методов производства полупроводников. Полупроводниковые нанопроволоки — высокоаспектные структуры с диаметрами, как правило, ниже 100 нм — появились в качестве ведущей платформы для реализации кубита. Их геометрия ограничивает электроны или дыры в одномерных каналах, создавая дискретные уровни энергии, которые могут использоваться в качестве кубитных состояний. Кроме того, нанопроволоки могут быть выращены эпитаксиально на кремниевых подложках, предлагая путь к интеграции с существующей микроэлектроникой. За последнее десятилетие достижения в методах изготовления, таких как эпитаксис молекулярного пучка, рост паро-жидкой твердости и химическая сборка снизу вверх, значительно улучшили чистоту, однородность и квантовую когерентность нанопроводных устройств. Эта статья рассматривает последние разработки в области изготовления полупроводниковых нанопроволок для квантовых вычислений, выделяет

Роль полупроводниковых нанонавий в реализации кубитов

Полупроводниковые нанопровода обеспечивают универсальную платформу для нескольких кубитных архитектур. Их узкое сечение и высокое отношение поверхности к объему позволяют точно электростатическое зацепление, что необходимо для определения квантовых точек и управления туннельными связями. Кроме того, материальный состав нанопроводов может изменяться по их длине, создавая гетероструктуры, которые ограничивают носители в обоих измерениях. Эта гибкость позволила продемонстрировать спиновые кубиты, долинные кубиты и топологические кубиты.

Qubit Host Архитектура

  • Спиновые кубиты в квантовых точках:]Нанометровые квантовые точки, образованные при помощи прикладывания напряжений к затворным электродам, задерживают отдельные электроны или дырки.Степень свободы спина одного носителя служит кубитом.Недавняя работа с использованием нанопроводов InAs достигла времени когерентности спина, превышающего десятки микросекунд и точности однокубитовых затворов выше 99,9%.
  • Топологические кубиты (режимы майорановского нуля): Когда нанопровод с сильной спин-орбитальной связью помещается в непосредственной близости от сверхпроводника и подвергается воздействию магнитного поля, на концах проводов могут появляться связанные с майораной состояния. Эти неабелевы абоненты защищены от локальной декогеренции, что делает их перспективными для отказоустойчивых вычислений. InSb и InAs нанопровода были основными материалами для экспериментов майоранов.
  • Зарядные кубиты и кубиты Гейтсмона: Нанометры также могут образовывать сверхпроводящие варианты кубита, такие как гейтмон, где полупроводниковый нанопровод Джозефсоновский переход обеспечивает настраиваемость через напряжение ворот.

Преимущества перед другими платформами

По сравнению со сверхпроводящими кубитами или захваченными ионами полупроводниковые нанопроволочные кубиты предлагают несколько уникальных преимуществ. Их размер позволяет плотную интеграцию - потенциально миллионы кубитов на одном чипе. Поскольку они изготовлены с использованием установленных плоских процессов, они могут использовать масштабируемую инфраструктуру полупроводниковой промышленности кремния. Кроме того, способность проектировать структуру полосы нанопроволоки и спин-орбитальную связь через конструкцию материалов обеспечивает ручку для адаптации свойств кубита. Наконец, нанопроволочные кубиты могут работать при температурах выше 1 К (для определенных конструкций), облегчая криогенные требования.

Достижения в технологиях изготовления

За последние пять лет был достигнут быстрый прогресс в росте и обработке нанопроводов. Несколько ключевых методов раздвинули границы качества и воспроизводимости.

Молекулярная эпитаксии луча (MBE)

MBE является золотым стандартом для выращивания нанопроводов с высокой чистотой III-V. В этом методе пучки элементарных атомов (например, индий, мышьяк, сурьма) направлены на нагреваемую подложку под сверхвысоким вакуумом. Управляя соотношениями потока и температурой подложки, исследователи могут выращивать нанопровода без дефектов с атомарно резкими интерфейсами между материалами. Недавние достижения включают рост нанопроводов с ядром , где внутреннее полупроводниковое ядро обернуто оболочкой с более широким разрывом. Оболочка уменьшает рассеяние поверхности и улучшает электрический транспорт, критически важный для когерентности кубитов. Например, InAs / InAlAs нанопровода с ядром, изготовленные MBE, показали средние свободные пути, превышающие 1 мкм, и значительно сниженный шум заряда по сравнению с голыми проводами InAs. (см. Krogstrup et al., Nano Lett. 15,

Вапор-жидкость-солидный (VLS) рост

В процессе VLS металлическая капля катализатора (часто золото) осаждается на подложке и нагревается в реакторе с газами-предшественниками. Прекурсоры растворяются в жидкой капле, а при перенасыщении твердая нанопроволока осаждается под капелькой. VLS позволяет точно контролировать диаметр нанопроволоки (установленный размером катализатора) и длину (через время роста). Инновации в VLS включают использование альтернативных катализаторов, таких как индий или висмут, чтобы избежать связанных с золотом ловушек глубокого уровня, которые ухудшают квантовые свойства. Используя свободные от золота VLS, группы выращивают нанопроволоки InSb с подвижностью, превышающей 5×104 см2 / V·s, что необходимо для наблюдения за баллистическим транспортом и сигнатурами майораны. Недавние работы показывают, что in situ каталитическая инженерия может производить атомно гладкие поверхности нанопроволоки, дополнительно уменьшая беспорядок (см.

Селективный рост (SAG)

SAG — альтернативный подход, не требующий катализатора. Маска (обычно SiO2 или SiN) узорчата на подложке, и нанопроволоки растут только в открытых отверстиях с помощью эпитаксии металлоорганической фазы пара (MOVPE). SAG позволяет точно размещать нанопроволоки в заданных положениях, что является требованием для масштабированной интеграции. Он также избегает загрязнения металла. Исследователи использовали SAG для создания вертикальных массивов нанопроволок с однородными диаметрами и контролируемыми кристаллическими фазами. Для квантовых вычислений SAG особенно привлекательна, поскольку позволяет бесшовную интеграцию с обычной обработкой CMOS. Последние результаты показывают, что нанопроволоки, выращенные в SAG, демонстрируют аналогичное качество транспорта с проводами VLS, с низкотемпературными контактными сопротивлениями ниже 100 Ω (см. ]Fasth et al., Nano Lett. 21, 3537 (2021) ].

Сборка снизу и химический синтез

Методы снизу вверх используют химические реакции в растворе для выращивания нанопроволок без катализатора. Коллоидные нанопроволоки могут быть получены в больших количествах и затем собраны на подложки с помощью диэлектофорез или методов Лангмуир-Блоджетта. Хотя уровень кристалличности часто ниже, чем у эпитаксиально выращенных проводов, недавние достижения в коллоидном синтезе нанопроволок CdTe и InP дали однокристаллические структуры длиной до 10 мкм. Эти провода могут быть осаждены на произвольных подложках, включая гибкие, открывая дверь для гибридных квантовых устройств, которые объединяют полупроводниковые нанопроволоки со сверхпроводящими резонаторами на чипе. Хотя еще не конкурентоспособны для высокоточных кубитов, методы снизу вверх перспективны для быстрого прототипирования и для изучения новых материалов, которые нелегко выращиваются MBE или VLS.

Материальные соображения для квантовой когерентности

Выбор полупроводникового материала сильно влияет на производительность кубита.Ключевые показатели заслуг включают эффективный g-фактор, силу связи спин-орбит, эффективную массу электрона и плотность ядерных спинов (которые вызывают гипертоническое ослабление).

III-V Полупроводники

Арсенид индия (InAs) и антимонид индия (InSb) являются наиболее широко изученными материалами нанопроволоки III-V для квантовых вычислений. Оба имеют небольшие эффективные массы (0,023 м0 для InAs, 0,014 м0 для InSb), что приводит к большим интервалам поддиапазонов и сильному ограничению. Они также демонстрируют высокие г-факторы (≈15 для InAs, ≈50 для InSb), облегчающие манипулирование спином с микроволновыми полями. Сильное взаимодействие спин-орбит в этих материалах имеет важное значение для спин-орбитных кубитов и для создания топологической сверхпроводимости. Однако нанопроволоки III-V страдают от поверхностных состояний, которые вызывают шум заряда и ограничивают когерентность. Было показано, что передовые стратегии пассивации, такие как осаждение на месте диэлектрика с высоким k (Al2O3 или HfO2) через осаждение атомного слоя, уменьшают низкочастотный шум заряда до двух порядков величины (см. [F

Кремний и германий

Кремниевые и германиевые нанопровода предлагают преимущество зрелой, низкорасположенной материальной системы без ядерных спинов в самых распространенных изотопах (28Si, 70Ge). Это практически исключает гипертонкую декогерентность, приводя к спиновым кубитам с когерентностью, превышающей секунды в изотопно очищенном кремнии. Хотя спин-орбитальная связь слабее, чем в III-Vs, исследователи разработали способы манипулирования спинами с использованием электрического дипольного спинового резонанса через микромагнит или градиентное поле. Германий, особенно гетероструктура Ge / SiGe, недавно получил внимание из-за его высокой подвижности дырок и сильной спин-орбитальной связи в валентной полосе. Спиновые кубиты дыры в германиевых нанопроводах показали перспективу для квантовых вычислений p-типа. Проблемы для Si и Ge нанопроводов включают достижение низкого сопротивления контакта (особенно для дыр) и интеграцию их со сверхпроводниками для топологических экспериментов. Тем не менее, совместимость с промышленным изготовлением кремния делает Si и

Преодоление проблем: дефекты, расстройства и интеграция

Несмотря на впечатляющий прогресс, до того, как квантовые компьютеры на основе нанопроводов могут быть построены в масштабе, остаются несколько препятствий.

Снижение шума и ловушек

Шум заряда от колеблющихся дефектов в оксиде или на поверхности нанопроволоки является одним из первичных источников декогерентности. В последние годы исследователи разработали ультрачистые процессы диэлектрического осаждения, которые резко снижают уровень шума. Например, с помощью кристаллического оксида (например, Al2O3, выращенного путем осаждения атомного слоя) на InAs нанопроволоки снизили спектральную плотность шума заряда до менее 10−16 e2/Hz при 1 Гц. Другой подход заключается в использовании экранирующего слоя, такого как проводящий затвор, который поддерживается при постоянном напряжении, чтобы минимизировать колебания поверхностного потенциала. Кроме того, рост структур ядра-оболочки с широкополосной оболочкой (например, InAs/GaAsSb) эффективно перемещает функцию электронной волны от поверхности, смягчая поверхностные ловушки.

Наноуэр Размещение и интеграция цепи

Масштабируемость требует, чтобы нанопровода были расположены точно на чипе с выравниванием на предварительно изготовленные затворные электроды и сверхпроводящие резонаторы. SAG по своей сути решает эту проблему, но другие методы полагаются на методы передачи. Например, одна нанопровода может быть взята из подложки роста с помощью микроманипулятора и помещена на целевой чип с точностью до субмикрометра. Параллельно исследователи разработали подходы к самосборке с использованием ДНК оригами или диэлектофореза для выравнивания нанопроводов в параллельных массивах. Крупный шаг вперед произошел от демонстрации 4×4 поперечной панели InAs с индивидуальным управлением затвором, каждая из которых содержит квантовую точку, которая может быть считана датчиком заряда (см. ] Природа 584, 545 (2020) . Этот уровень интеграции является необходимым условием для многокубитных операций в квантовом процессоре.

Будущие направления: Топологические кубиты и дальше

Наиболее далеко идущая цель изготовления полупроводниковых нанопроводов - реализация топологических кубитов, которые по своей сути защищены от декогеренции. По прогнозам, связанные с майораной состояния (MBS) происходят в нанопроводе с сильной спин-орбитальной связью при контакте с сверхпроводником и магнитным полем вдоль оси провода. С момента их теоретического предложения сотни экспериментов сообщили о сигнатурах, согласующихся с MBS, но окончательное доказательство остается неуловимым. Основным препятствием является расстройство - даже небольшое количество потенциальных колебаний вдоль провода может имитировать сигнатуры майораны. Недавние достижения в качестве нанопроводов - за счет улучшенного роста, более чистых интерфейсов и лучших методов нанесения сверхпроводниковой маски на нанопроводах InSb - уменьшили шкалу длины беспорядка до менее 100 нм. Теоретическая работа предполагает, что с мобильностью выше 105 см2 / В·с и однородностью субмикрометра наблюдение квантованной проводимости при нулевом смещении ("курящая пушка" для майоранов) должно

Помимо майоранов, нанопровода также исследуются для операций плетения с использованием электронной интерферометрии и для кодирования кубитов в четности двух пространственно разделенных пар майоранов. Это потребует сетей нанопроводов, связанных в массивах — как квантовая версия классической схемы. Производство таких сложных геометрий ведется с использованием SAG и литографии электронного луча для создания Y-разветвленных проводов и электронно-поворотных плит на основе квантовых точек.

Другие новые направления включают использование двумерных материалов, таких как дихалкогениды переходных металлов (например, MoS2, WS2) в качестве самого материала нанопроволоки (хотя обычно они изучаются как хлопья, их можно свернуть в нанотрубки) или в качестве диэлектрика затвора для обычных нанопроволок. Кроме того, комбинация нанопроволок с сверхпроводящими цепями привела к кубиту «гейтмона», который сочетает в себе настраиваемость полупроводникового соединения с длинной когерентностью сверхпроводящего трансмона. В 2023 году команда в TU Delft сообщила о кубите гейтмона с T1 выше 100 мкс, конкурируя с обычными трансмонами.

Заключение

Полупроводниковое нанопроводное производство претерпело революцию за последнее десятилетие, переходя от экспериментов с доказательством концепции к устройствам, которые обычно достигают времени когерентности в микросекундном диапазоне и точности ворот выше 99,9%. MBE, VLS и SAG методы роста теперь дают нанопровода с минимальными дефектами, высокой мобильностью и точно контролируемыми размерами. Выбирая соответствующие материалы (III-V для спин-орбитальных кубитов и майоранов; Si / Ge для сверхдлинной спиновой когерентности), исследователи могут адаптировать свойства кубита к своей конкретной архитектуре. Остальные проблемы - шум заряда, точность размещения и однородность материала - решаются с помощью инновационных пассивирующих схем, на месте метрологии и интеграции с CMOS-совместимыми процессами. С дальнейшим прогрессом полупроводниковые нанопроводные квантовые процессоры могут стать реальностью в течение следующих десяти лет, открывая вычислительную мощность за пределами досягаемости классических машин. Для последних обновлений в этой быстро развивающейся области читателям рекомендуется следить за журналами, такими как [FLT: 1] и [FLT