Mikroişlemcide Yenilikler Kuantum Entegrasyonu için

Modern hesaplama, kuantum ve klasik işlemenin paralandırılmasıyla başlayan bir dönüşüm eşine işaret ediyor. Mikroişlemciler, klasik hesaplama motorları, kuantum hesaplamaları için (keşitler) kuantum diskleri (keşler) olarak çalışan teknik engeller ve bu gelişmelerin gelecekteki uyum sağlamak için ne anlama geldiğini inceler.

Roman Microfabrikasyon Yaklaşımları için ihtiyaç

Klasik mikroişlemciler, çok katı olan ortamları kullanarak inşa edilir, elektromanyetik gürültüden aşırı izolasyonla ve atomlarda ölçülen yapılar için optimize edilir. Geleneksel üretim hatları kuantum koherens olmadan, milyarlarca transistörin yanında tümleştirici ortamlara ihtiyaç duyar.

Araştırmacılar bu nedenle yüksek çözünürlükte metal bağlantı tabakalarını klasik mantık ve hassas, genellikle iki boyutlu, jim yapıları üzerinde çalışabilecek ve her adımda yenilikleri gerektirir: substrat seçimi, depozisyon, etching ve paketleme.

Key Technological Advances

Extreme Ultraviolet (EUV) Lithography

Aşırı ultraviyole litografi (en iyi 13.5 nm dalga boyun eğlendirici) zaten 10 nm altında gelişmiş düğümlerin yaratılmasına izin verdi Intel 4 ve TSMC N3. kuantum devreler için, EUV, ultra küçük özellikleri düşük lineer bir şekilde tanımlamak için gerekli olan karar verir. Josephson bir hassaslığı doğrudan geliştirir ve maddi hataların özüne neden olan bir engeli azaltır.

Son deneyler, ABV tanımlı yapıların alüminyum ve niobium'un istikrarlı transmon qubits için gerekli olan kritik akım eşitsizlikleri elde edebileceğini göstermiştir.ABV araçları pahalı ve vakum ortamları gerektirirken, kuantum üretimindeki kabulleri kuantum hesaplama müşterileri için özel süreçler sunmak için hızlandırılır.

3D Heterojen Bütünleşme

Aynı ölülerdeki qubits ve klasik transistörlerin Monolithic integration of qubits and Classic Transistic integration on the same die is challenging because the term bütçes and material differated in the separate die evated dies using through- ⁇ vias (TSVs) and micro-bump Connection. Kuantum ölür - iki bitim sonra yüksek bağlantı ile bağlanır.

Bu yaklaşım, oda sıcaklığı ve ağojenik aşamalar arasında seyahat eden tel sayısını azaltır, ölçeklendirme için büyük bir şişenck. Intel 12-qubit işlemine 12-kücregen kontrollerini kullanarak bir kriyojenik kontrol kümesini ortaya koyar.[0] TSV'ler silikon kontrüksiyon ve plakalıları düşük direnç mK sıcaklıklarında düşüklüğü korumak için bir 3D kuantum test çipi ile birlikte incelenir.

Superconducting Material Innovations

Süper iletken alüminyum oksit tünel bariyeri ile alüminyum veya niobium elektrotları genellikle alüminyum veya niobium elektrotları kullanır, ancak bu malzemelerin performansı daha yüksek kritik sıcaklıklar ve daha düşük mikrodalga kayıplarına yol açan iki seviyeli sistem (TLS) gürültü ile sınırlıdır.Son yenilikler, yüksek sıcaklıklara sahip olan boruların kullanımı ile birlikte daha istikrarlı bir yerli oksit ve niobiumitttanium-nitride (NbTiN) daha düşük maliyetlidir.

Başka bir umut verici yön, gürültüye katkıda bulunan kristal süper iletkenlerin kullanımıdır.(0MITTLincoln Laboratory) grubu, henium sergilerinde yarı yarıya kadar korelasyon sergileyebilen iki-3 × gelişmeyi standart alüminyum qubitler ile ortadan kaldırır.

AğojenikCompatible Process Development

Kumaşlama adımları kendilerini krigen sıcaklıklarında güvenilir bir şekilde çalışmalıdır. Örneğin, wafers en az film stresiyle 4 K, termal genişleme yanlış uyum sağlar (örneğin, TiSi2), ohmik olmayan 10 mK'ya kadar kalan sinalektik kontakları kullanmak için kullanılır.

Ağojenik olasılık istasyonları, fab hattına entegre edilmiş, boş modüllerle birlikte mK sıcaklıklarında derhal elektrik testlerine izin vermektedir.Bu geri bildirim döngüsü, zayıf qubit performans erken tespit ederek, Quantware ve Seeqc gibi şirketler, standart CMOS araçlarını krio-fabs ile bir araya getiren bir şekilde yatırım yaptı.

Overcoming critical Challenges

Qubit Coherence ve Decoherence

Bir qubit'in kalitesi temelleri, bu kaynakları doğrudan saldırıya uğratıyor - kuantum bilgilerin bozulmadığı süreler.Decoherence, çevresel gürültüye karşı darbeden doğar: şarj dalgalanmaları, flux gürültü ve phonons. Fabrication yenilikleri doğrudan bu kaynakları saldırıya uğrattı. Örneğin, epit aksiyel süperconduk-insulator arayüzleri kullanarak TLS gürültüyü 10 saniyeye kadar azaltıyor (veya uzun süre boyunca 500 μm'ye kadar)

Başka bir yaklaşım, Princeton ve Yale'deki araştırmacılar tarafından gösterilen, kesin izotropik süspansiyonu kullanarak boşlukları kumaşlamaktır.Requbits show T1 > 1 ms.

Ağojenik Sıcaklıklarda Termal Yönetim

Klasik bir mikroişlemci kriyojenik sıcaklıklarda çalışırken, ısı milyarlarca transistör tarafından kesintiye uğratılır veya 20 mK. Standard ısıtıcının altında homojenleşir, çünkü silikon gibi malzemeler düşük sıcaklıklarda zayıf ısı iletkenliği vardır.

Ayrıca, kontrol elektronikleri, düşük güç dağılımı ile 4 K'de çalışmalıdır. Single-flux-quantum (SFQ) mantığı, Josephson kavimlerine dayanarak, her iki qubits ve SFQ kontrol elementleri için mikrowatt güç ile çalışır ve doğal olarak, Imec ve Lincoln Laboratuvar gibi şirketler için de önemli bir hedeftir.

Scalability and milk

Bugünün kuantum işlemcileri, birkaç yüz qubits'e onlarca kat içerler. Faydalı hata-tolerant kuantum bilgisayarları, bu tür sayılara yönelik milyonlarca Scaling işlemine ihtiyaç duyacaktır, yedek parçanın üretildiği her bir miktar için% 99.99'un üzerindedir ve birincil farkların başarısız olması durumunda ele alınacaktır.

Süreç tasarımı co-optimizasyon (PDCO) - gelişmiş CMOS'tan ödünç alınan bir metodoloji - şimdi bir feragat yapılandırması için uygulanan.Kablo oluşturmadan önce aday düzeninin elektrik ve kuantum davranışını basitleştirerek, bulunabilirler yapıların yanlış veya etching varyasyonunu tespit edebilir.

Kuantum-Klasik Bütünleşme için Mimari

Kontrol Elektroniki InChip

Mevcut kuantum sistemlerinde büyük bir şişenck, oda içi kontrol donanımları ve krigen çipleri arasındaki kablodur.Her bir qubit genellikle mikrodalga sürücü ve okuma için bir kobiyal kablo gerektirir, bu gecikme, ısı yükü ve maliyeti.Cramming kontrol elektronikleri aynı çip veya paketin üzerindeki kablolar bu sorunları azaltır.

Ağo-CMOS transistörlerinin üretimi, eşliği koruyan profiller ve kapı oksitleri kullanarak optimize edilmiş ve donmuş etkileri azaltmıştır. Çeşitli gruplar bu tür sistemlerin ayrıntılı bir kriteri sunar.

Kuantum Hatası Doğrusal

Hatalı kuantum hesaplama, birçok fiziksel qubit gerektiren hataları düzeltme kodlarına dayanıyor, bu tür ASIC'lerin de aynı gelişmiş düğümleri (7 nm, 5 nm) kullanarak, bu klasik mantığı kullanarak, krigen seviyesindeki büyük ölçüde sinir bozucu veya FPGA'lar için radyasyonu azaltabilecek kadar yüksek çözünürlükte kullanıyor mu?

Google'ın Sycamore işlemcisi ve sonraki cihazlar, 1 μs altında hata düzeltme döngüleri gerçekleştiren klasik kontrol mantığının bir katmanını entegre eder.Bu çiplerin üretimi, qubit katmanı ile bağlantılı olarak özel 22 nm işlemi kullanır.

Future Yol Tarifi

Elmaslı Qubits

Çoğu mevcut çaba, süper iletken qubits, nitro-vacancy (NV) elmasdaki merkezlerin oda sıcaklığında çalışan sağlam qubitler olarak ortaya çıktığını gösterirken, ancak, elmas-tamamlama birimlerinin ve NV implantasyonlarının kesin yerleştirilmesini gerektirir.

Silikon Fotonikleri Bütünleşme

Kuantum bilgileri de fotonikler içinde kodlanabilir. Silikon fotonikleri, ışık silikon dalga kılavuzlarında yönlendiriliyor, fotonik qubits'i CMOS-uzsuz süreçlerle tamamen şekillendirebilir.Bu rotada, kriyojenik meydan okumalardan kaçınır, ancak analogları kullanarak detektörler zaten mümkün.PsiQuantum gibi şirketler fotonik bilgisayarlar tamamen silikon fotonik bilgisayarlar inşa edebilir.

Nanotel tek foton dektörlerle (SNSPDs) silikon fotonik devrelerle birlikte süper iletkenlik sağlar. SNSPDs, niobium nitride veya hafnium filmlerinden yapılır; silikon fotonik tabakasının üst kısmında depolanır ve yarı yarıya bağlanırlar.

Societal ve Industrial Influence

Klasik mikroişlemcilerle kuantum hesaplamanın başarılı entegrasyonu şu anda ulaşılabilecek yeteneklere sahip olacaktır. Kriptografi, kuantum sınıfsal hibrit çipler Shor'un algoritmasını, giriş / güvenlik için klasik bir ev sahibiyken uygulayabilecektir.

Hızlı simülasyon ve optimizasyona dayanan Endüstriler - havacılık, otomotiv, lojistik - doğrudan fayda görecek. Ancak, değişim kademeli olacaktır.Bu karma sistemlerinin maliyeti ve karmaşıklığını azaltacak ve daha fazla şirkete ve araştırma kurumuna erişilebilir hale getirecek.

Yarı iletken endüstri kendisi kazanmak için duruyor. Gelişmiş ambalaj talep (3D yığınlama, TSV) ve uzman malzemeler (süperdüktörler, krigen dielektrikler) mevcut olan yeni gelir akışlarını ortaya koyuyor. Ekipman üreticileri şimdiden yüksek çözünürlükte ince film ayrışması için araçlar geliştiriyor. kuantum fabrikası 2030 yılına kadar 2 milyar dolar aştı.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

kuantum hesaplama entegrasyonu için mikroişlemci üretimi birden çok cephede ilerliyor: Atom ölçekli özellikleri, homojen entegrasyon, parasız malzeme ve sıcaklık bölgeleri ile evlenmek için yeni süperconductors bu olgun, klasik ve kuantum arasındaki çizgi, hem de karmanın en iyiliğini birleştiren sistemlere yükselecek.