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研究背景

鑒于量子計算領(lǐng)域的發(fā)展，構(gòu)建容錯的量子計算機已成為研究的熱點。量子計算機的核心組成部分是量子比特（qubits），而要構(gòu)建容錯的量子計算機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，因為它們具有潛在的可擴展性和集成性。然而，這些技術(shù)面臨著諸多挑戰(zhàn)，包括器件制造的規(guī)?；⒌蜏卦O(shè)備測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試許多器件來找到具有滿意性能的那一個，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雜和耗時。

成果簡介

針對這一挑戰(zhàn)，美國英特爾公司（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制造工藝和量子計算領(lǐng)域的技術(shù)，提出了一種新的測試方法和制造流程。首先，研究團隊開發(fā)了一種基于低溫晶片探針的測試過程，能夠在低溫條件下對數(shù)百個自旋量子比特器件進行高容量數(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。

圖文導讀

圖1展示了他們提出的低溫探針測量流程。該流程旨在實現(xiàn)對自旋量子比特器件的高容量數(shù)據(jù)收集和統(tǒng)計分析。首先，圖1a展示了一個完整的自旋量子比特晶片的光學圖像。通過光刻技術(shù)完成了所有的圖案，其中包括量子點門的圖案，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、刻蝕和化學機械拋光。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展示了低溫探針測量流程的第二個步驟，即當晶片降溫后，通過將器件墊片與探針針腳對準，使器件連接到測量電子學器件，從而實現(xiàn)對器件的電性能測量。在此過程中，使用了機器視覺反饋算法來精確地對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量電子學器件后，可以進行的多種測量。這些測量包括門線電阻、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。通過這些測量，可以從多個角度全面評估器件的性能。最后，圖1d展示了通過重復在晶片上的多個器件上執(zhí)行這一過程，收集大量器件數(shù)據(jù)并進行統(tǒng)計分析的流程。該流程是全自動和可編程的，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試單個器件而言，提高了幾個數(shù)量級。這樣的自動化測試流程對于優(yōu)化器件制造工藝和改善器件性能具有重要意義。

圖1：低溫探針測量流程。

圖2展示了通過改進門堆棧結(jié)構(gòu)進行的工藝優(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。量子點由平面結(jié)構(gòu)定義，活動門用于控制電荷累積，而后續(xù)的器件還整合了用于篩選/耗盡的第二個被動層。門電極由高介電常數(shù)復合堆?；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個數(shù)據(jù)點。觀察到在各個流程之間和晶片內(nèi)部的VT變化顯著減小。這些改進歸因于固定電荷的減少，由于高κ堆棧本身的改進（堆棧A和B之間），以及后續(xù)處理的熱預算的降低，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)化的每個階段中量子點約束、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（12QD）陣列的閾值電壓統(tǒng)計信息。在圖3a中，顯示了在晶片上測得的12QD器件的I-V曲線。插圖中顯示了單個器件的I-V曲線，包括線性量子點陣列的27個門。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量配置示意圖。圖中量子點位置由虛線圓圈表示。門根據(jù)功能進行了虛色標記：推進門為黃色，障礙門為藍色，儲庫門為綠色，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12QD器件的測試。圖3d展示了在匹配的門對之間計算的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之間的VT差異的分析，可以評估器件用于電壓共享應用的潛力。

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

圖4展示了來自12QD陣列的單電子電壓統(tǒng)計信息。圖4a展示了一個典型的電荷感測測量示例。明亮的線代表量子點中的電子數(shù)量過渡。紅星標記了提取的推進和障礙門的單電子（1e）電壓位置。圖4b展示了在12QD陣列上測得的推進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顯示了來自兩個晶片的單電子電壓差異的直方圖。圖4e和f展示了在兩個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估電壓共享應用的器件的電壓變化。圖4g和h顯示了在兩個晶片上采樣的1e轉(zhuǎn)換時推進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，為量子計算的進一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

圖4. 12量子點QD陣列的單電子電壓統(tǒng)計。

總結(jié)展望

本文通過實現(xiàn)具有高產(chǎn)量300毫米工藝的低無序性量子點，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，這對于未來量子計算機的發(fā)展至關(guān)重要。實驗中展示的電荷感測數(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保真度的實現(xiàn)突出了在嚴格工業(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，平均相干時間的測量結(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試的過程，優(yōu)化了量子設(shè)備的性能評估與篩選機制。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，這些進展為構(gòu)建可擴展的量子計算解決方案，以及實現(xiàn)在量子硬件上運行更復雜量子算法提供了堅實的基礎(chǔ)，推動整個量子計算技術(shù)向前邁進了一大步。

文獻信息

Neyens, S., Zietz, O.K., Watson, T.F. et al. Probing single electrons across 300-mm spin qubit wafers. Nature 629, 80–85 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07275-6

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