CMOS Fab线中使用28Si同位素创建量子处理器构建模块的途径

CEA法国技术研究机构CEA-Leti和CEA与格勒诺布尔阿尔卑斯大学之间的联合基础研究机构Inac今天宣布了大规模制造量子比特或量子比特的突破，这是未来的基本要素量子处理器。他们在300 mm预工业平台上展示了​​通过化学气相沉积(CVD)沉积的薄膜中的新水平的同位素纯化。这使得能够使用非常高纯度的硅同位素28 Si 在硅薄层中创建量子比特，其产生的结晶质量可与通常由天然硅制成的薄膜相媲美。

“使用同位素28 Si代替天然硅对于优化硅自旋量子比特的保真度至关重要，”Inac的研究主管Marc Sanquer说。“由于天然硅中存在核自旋，自旋量子比特的保真度仅限于小值。但是使用具有零核自旋的28 Si 可以大大提高自旋量子比特保真度。我们希望通过在CEA-Leti的工业化前CMOS平台上制造的量子比特来证实这一点。“

量子比特是量子信息的基石。它们可以在各种各样的材料系统中制造，但是当谈到大规模集成的关键问题时，可能的选择范围会大大缩小。硅自旋量子比特尺寸小，与CMOS技术兼容。因此，与其他类型的量子比特相比，它们具有大规模集成的优势。

自2012年以来，当报告依赖于电子自旋的第一个量子位时，同位素纯化的28 Si 的引入导致自旋相干时间的显着增强。自旋相干性越长，量子操作的保真度越好。

量子效应对于理解基本硅微元件的工作原理至关重要，但最有趣的量子效应，如叠加和纠缠，并未用于电路中。CEA-Leti和Inac结果表明，这些效应可以在低温工作的CMOS晶体管中实现。

CEA-Leti和Inac先前报道了在利用天然绝缘体上硅(SOI)300 mm CMOS平台1的过程中演示量子位的初步步骤。量子比特是由SOI晶体管中的单个孔承载的电控旋转。在npj量子信息2中发表的一篇论文中，CEA-Leti和Inac报道SOI晶体管中的电子自旋也可以通过纯电信号进行操作，从而实现快速和可扩展的自旋量子比特。

“为了向实用和有用的量子处理器发展，现在必须扩大量子比特，”CEA-Leti硅元件部门的研究工程师Louis Hutin说。“这种开发必须解决基本量子砖的可，再现性和静电控制质量，正如标准微处理器常规所做的那样。”

为了帮助CEA-Leti和Inac在CMOS平台中利用无核自旋硅，液化空气由液化空气集团提供，使用同位素纯化的同位素纯度非常高的硅烷，其中 29 Si同位素含量小于0.00250%，由俄罗斯科学院高纯物质化学研究所。的29的Si同位素存在于天然硅4.67%，而是硅的携带核自旋限制性量子位相干时间的唯一稳定的同位素。

使用该纯化硅烷前体在CVD生长层上进行的二次离子质谱(SIMS)分析显示29 Si浓度小于0.006%，30 Si小于0.002%，而28 Si浓度大于99.992%。如通过原子力显微镜(AFM)，雾度和X射线反射计测量所证实的，在300mm基板上CVD生长的外延层的这些前所未有的同位素纯化水平与原子级光滑的表面相关联。

凭借其科技专业知识以及与Minatec校园300 mm硅平台相关的特定机会，CEA-Leti和Inac将继续为量子技术的科学，技术和工业动力做出贡献，并通过实施EC在该领域的FET Flagships计划。

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