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研究背景

鑒于量子計(jì)算領(lǐng)域的發(fā)展，構(gòu)建容錯(cuò)的量子計(jì)算機(jī)已成為研究的熱點(diǎn)。量子計(jì)算機(jī)的核心組成部分是量子比特（qubits），而要構(gòu)建容錯(cuò)的量子計(jì)算機(jī)則需要大量的物理量子比特。其中，基于固態(tài)電子器件的量子比特技術(shù)備受關(guān)注，因?yàn)樗鼈兙哂袧撛诘目蓴U(kuò)展性和集成性。然而，這些技術(shù)面臨著諸多挑戰(zhàn)，包括器件制造的規(guī)?；?、低溫設(shè)備測(cè)試的效率以及工藝變異和產(chǎn)量等方面的問題。

自旋量子比特是一種重要的固態(tài)量子比特技術(shù)，其中的電子自旋被用作信息的存儲(chǔ)單元。特別是，基于硅材料的自旋量子比特在控制保真度方面取得了顯著進(jìn)展，然而，器件制造的規(guī)?；凸に囎儺惾匀皇秦酱鉀Q的問題。傳統(tǒng)上，大多數(shù)自旋量子比特的研究是通過測(cè)試許多器件來找到具有滿意性能的那一個(gè)，而隨著自旋量子處理器尺寸的增加，這種篩選過程變得更加復(fù)雜和耗時(shí)。

成果簡(jiǎn)介

針對(duì)這一挑戰(zhàn)，美國(guó)英特爾公司（Intel Corp.）Samuel Neyens, Otto K. Zietz，James S. Clarke等研究人員在Nature期刊上發(fā)表了題為“Probing single electrons across 300-mm spin qubit wafers”的最新論文。本研究通過結(jié)合CMOS制造工藝和量子計(jì)算領(lǐng)域的技術(shù)，提出了一種新的測(cè)試方法和制造流程。首先，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種基于低溫晶片探針的測(cè)試過程，能夠在低溫條件下對(duì)數(shù)百個(gè)自旋量子比特器件進(jìn)行高容量數(shù)據(jù)采集。其次，他們優(yōu)化了一種工業(yè)兼容的制造工藝，以在硅材料上制造自旋量子比特器件，并且通過優(yōu)化制造工藝來提高器件的可靠性和一致性。

圖文導(dǎo)讀

圖1展示了他們提出的低溫探針測(cè)量流程。該流程旨在實(shí)現(xiàn)對(duì)自旋量子比特器件的高容量數(shù)據(jù)收集和統(tǒng)計(jì)分析。首先，圖1a展示了一個(gè)完整的自旋量子比特晶片的光學(xué)圖像。通過光刻技術(shù)完成了所有的圖案，其中包括量子點(diǎn)門的圖案，這些圖案通過極紫外光刻技術(shù)完成，允許探索不同的門間距。此外，所有器件子組件的制造都是基于基本的行業(yè)技術(shù)，包括沉積、刻蝕和化學(xué)機(jī)械拋光。這些工藝確保了在300毫米晶片上的高產(chǎn)量和低工藝變異。其次，圖1b展示了低溫探針測(cè)量流程的第二個(gè)步驟，即當(dāng)晶片降溫后，通過將器件墊片與探針針腳對(duì)準(zhǔn)，使器件連接到測(cè)量電子學(xué)器件，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)器件的電性能測(cè)量。在此過程中，使用了機(jī)器視覺反饋算法來精確地對(duì)齊器件墊片和探針針腳。器件墊片的大小為100×100μm2，間距為150μm。

圖1c展示了器件連接到測(cè)量電子學(xué)器件后，可以進(jìn)行的多種測(cè)量。這些測(cè)量包括門線電阻、歐姆接觸電阻、載流子遷移率、門閾電壓和在少量電子區(qū)域的躍遷電壓等。通過這些測(cè)量，可以從多個(gè)角度全面評(píng)估器件的性能。最后，圖1d展示了通過重復(fù)在晶片上的多個(gè)器件上執(zhí)行這一過程，收集大量器件數(shù)據(jù)并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的流程。該流程是全自動(dòng)和可編程的，大大加快了器件數(shù)據(jù)收集的速度，相較于在低溫容器中測(cè)試單個(gè)器件而言，提高了幾個(gè)數(shù)量級(jí)。這樣的自動(dòng)化測(cè)試流程對(duì)于優(yōu)化器件制造工藝和改善器件性能具有重要意義。

圖1：低溫探針測(cè)量流程。

圖2展示了通過改進(jìn)門堆棧結(jié)構(gòu)進(jìn)行的工藝優(yōu)化。在圖2a中，展示了優(yōu)化的自旋量子比特陣列的三維結(jié)構(gòu)示意圖。量子點(diǎn)由平面結(jié)構(gòu)定義，活動(dòng)門用于控制電荷累積，而后續(xù)的器件還整合了用于篩選/耗盡的第二個(gè)被動(dòng)層。門電極由高介電常數(shù)復(fù)合堆?；颉案擀识褩！备綦x，而相鄰的門則由“間隔”堆棧隔離。優(yōu)化工藝涉及許多因素，其中包括減少高κ堆棧中的固定電荷和優(yōu)化門層架構(gòu)。研究者通過限制間隔工藝的溫度來減少高κ堆棧中的固定電荷，從而改善了器件的性能。

圖2b展示了15個(gè)晶片上的平均門閾值電壓（VT）的改善情況。三種不同的制造流程被突出顯示，并且每種流程約包含了4000個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。觀察到在各個(gè)流程之間和晶片內(nèi)部的VT變化顯著減小。這些改進(jìn)歸因于固定電荷的減少，由于高κ堆棧本身的改進(jìn)（堆棧A和B之間），以及后續(xù)處理的熱預(yù)算的降低，以及額外篩選門層提供的更一致的約束。圖2c中的阻擋-阻擋掃描也突顯了在器件優(yōu)化的每個(gè)階段中量子點(diǎn)約束、無序性和穩(wěn)定性的改善。

圖2. 低溫探針反饋輔助的工藝優(yōu)化。

圖3展示了來自12量子點(diǎn)（12QD）陣列的閾值電壓統(tǒng)計(jì)信息。在圖3a中，顯示了在晶片上測(cè)得的12QD器件的I-V曲線。插圖中顯示了單個(gè)器件的I-V曲線，包括線性量子點(diǎn)陣列的27個(gè)門。圖3b展示了一種代表性12QD器件的內(nèi)聯(lián)掃描電子顯微鏡圖像上覆蓋的測(cè)量配置示意圖。圖中量子點(diǎn)位置由虛線圓圈表示。門根據(jù)功能進(jìn)行了虛色標(biāo)記：推進(jìn)門為黃色，障礙門為藍(lán)色，儲(chǔ)庫門為綠色，篩選門為紅色。圖3c展示了12QD陣列上門VT值的直方圖。數(shù)據(jù)來自晶片上232個(gè)12QD器件的測(cè)試。圖3d展示了在匹配的門對(duì)之間計(jì)算的VT差異的直方圖。這些數(shù)據(jù)表明，在晶片上取得了高一致性的器件性能，并且隨著匹配的門對(duì)之間的VT差異的分析，可以評(píng)估器件用于電壓共享應(yīng)用的潛力。

圖3. 12量子點(diǎn)quantum-dot，QD陣列的閾值電壓統(tǒng)計(jì)。

圖4展示了來自12QD陣列的單電子電壓統(tǒng)計(jì)信息。圖4a展示了一個(gè)典型的電荷感測(cè)測(cè)量示例。明亮的線代表量子點(diǎn)中的電子數(shù)量過渡。紅星標(biāo)記了提取的推進(jìn)和障礙門的單電子（1e）電壓位置。圖4b展示了在12QD陣列上測(cè)得的推進(jìn)和障礙電壓的直方圖。這些數(shù)據(jù)顯示了跨300mm晶片采樣的單電子量子點(diǎn)陣列中設(shè)置1e電荷狀態(tài)所需的電壓。圖4c和d顯示了來自兩個(gè)晶片的單電子電壓差異的直方圖。圖4e和f展示了在兩個(gè)晶片上采樣的單電子電壓和二電子電壓之間的比率的直方圖。這些比率可以用來評(píng)估電壓共享應(yīng)用的器件的電壓變化。圖4g和h顯示了在兩個(gè)晶片上采樣的1e轉(zhuǎn)換時(shí)推進(jìn)和障礙門之間的電壓差異的直方圖。這些結(jié)果表明，在量子點(diǎn)器件中，1e電壓變化的主要來源是在高κ堆棧之上的門結(jié)構(gòu)中的變化，而不是來自量子阱的深度。整體而言，這些數(shù)據(jù)表明，通過優(yōu)化工藝流程，自旋量子比特器件的產(chǎn)量和性能得到了顯著提高，為量子計(jì)算的進(jìn)一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

圖4. 12量子點(diǎn)QD陣列的單電子電壓統(tǒng)計(jì)。

總結(jié)展望

本文通過實(shí)現(xiàn)具有高產(chǎn)量300毫米工藝的低無序性量子點(diǎn)，為制造高質(zhì)量、高一致性的自旋量子比特提供了新的可能性，這對(duì)于未來量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展至關(guān)重要。實(shí)驗(yàn)中展示的電荷感測(cè)數(shù)據(jù)表明，即便在單電子區(qū)域也能維持較低的無序性和較小的電壓差異，這為實(shí)現(xiàn)電壓共享協(xié)議和提升大規(guī)模自旋量子比特陣列的可行性奠定了基礎(chǔ)。

此外，高單比特Clifford保真度的實(shí)現(xiàn)突出了在嚴(yán)格工業(yè)兼容的制造環(huán)境下仍能保持量子比特高性能的重要性，同時(shí)，平均相干時(shí)間的測(cè)量結(jié)果顯示了28Si材質(zhì)在抑制核自旋影響方面的潛力，指向了改善量子比特相干性的關(guān)鍵方向。

通過高容量低溫測(cè)試與數(shù)據(jù)的大規(guī)模收集，該研究有效地加速了從原型到測(cè)試的過程，優(yōu)化了量子設(shè)備的性能評(píng)估與篩選機(jī)制。這種方法不僅提高了器件的生產(chǎn)效率，還為理解和減少工藝中的變異及無序性提供了新的視角。最終，這些進(jìn)展為構(gòu)建可擴(kuò)展的量子計(jì)算解決方案，以及實(shí)現(xiàn)在量子硬件上運(yùn)行更復(fù)雜量子算法提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，推動(dòng)整個(gè)量子計(jì)算技術(shù)向前邁進(jìn)了一大步。

文獻(xiàn)信息

Neyens, S., Zietz, O.K., Watson, T.F. et al. Probing single electrons across 300-mm spin qubit wafers. Nature 629, 80–85 (2024).

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