有望量产！英特尔利用工艺线制造量子比特

光子盒研究院出品

在今年美国物理学会(APS)三月年会的量子行业会议上，谷歌、IBM、英特尔、Quantinuum和硅量子计算公司(SQC)/新南威尔士大学(UNSW)展示了在实现实用量子计算的竞赛中的进展和持续挑战。其中，英特尔强调了利用其半导体工艺线制造硅基量子比特的能力。

英特尔进军量子计算的核心理念是，利用其丰富的CMOS制造专业知识将使其能够更快地扩展规模。英特尔量子硬件工程师Otto Zeitz在会上表示：“你知道，英特尔每年出货超过800万亿个晶体管。到2025年，预计地球上的晶体管数量将超过人类细胞。大量的设备被制造出来，然后交付给社会使用。事实证明，英特尔硅自旋量子比特设备与这些晶体管非常相似。”

英特尔量子计算团队在会上提交了多达14篇论文，这些论文表明英特尔已经开始在半导体工艺线上制造量子比特。

要为大规模量子计算铺平道路，需要数百万个高产、相同规格的量子比特。对于经典处理器，这些条件是通过使用先进的制造技术，如光学光刻和化学机械抛光来实现的。由于与晶体管的相似性，硅自旋量子比特通常被认为能够利用半导体行业数十年的技术发展。

然而，工艺线中使用的方法比当前用于量子点制造的方法灵活性差且更具侵入性。因此这些技术是否允许制造量子点结构，以及确保高成品率晶体管制造的工业加工条件是否不会损害量子比特质量和相干性，这是一个悬而未决的问题。

在《先进半导体制造的量子比特》[1]一文中，英特尔介绍了他们用同位素富集的28Si-MOS制造量子点器件，采用标准300毫米工艺线制造。这些器件完全采用光刻和化学机械抛光技术制造，与最先进的工业制造技术兼容。这可以在300毫米的晶圆上实现极高的产量和样品均匀性。此外，样品在多电子体系中表现出良好控制的单量子点和双量子点行为。我们以足够高的信噪比进行电荷传感，以便单次读出，并在单电子体系中形成量子比特，其自旋相干特性与文献中报道的相当。这项工作突出了自旋量子比特可扩展性的潜力。

英特尔率先在300毫米全光工艺线上制造了SiMOS和Si/SiGe量子点器件，并成功生产了量子比特。但在这些工艺线制造的量子比特上执行双量子比特逻辑门的能力尚未实现。因此在《先进半导体制造的双量子比特逻辑门》[2]一文中，英特尔报告了用300毫米EUV技术制造的Si/SiGe量子点器件上双量子比特门的演示。

自旋量子比特由量子点中的一个电子组成。单量子比特门是通过EDSR实现的，附近的微磁提供必要的人工自旋轨道耦合以及量子比特频率分离。快速电压脉冲用于控制两个量子比特之间的交换耦合，能够实现各种类型的双量子比特门。

此外，虽然英特尔能够在每个晶圆上生成10000个器件，但与传统大规模CMOS研发不同的是，量子计算不存在相应的高通量电测试生态系统。大量器件，包括用于量子比特形成的量子点阵列和用于过程监控和器件物理表征的辅助器件，再加上CMOS处理方案的复杂性增加，需要在高通量低温表征设备和技术方面进行创新。

为此，英特尔与Bluefors合作开发了一种低温晶圆探测器，该探测器能够在1K下对器件进行表征，从而能够快速收集传统晶体管和量子点的具有统计意义的数据。英特尔在会议上展示了这些1K高通量表征技术在制造工艺优化和产量提高方面的效用，以及在20mK稀释制冷机中自旋量子比特形成的最佳器件选择。

除了量子比特的制造与测试之外，量子比特控制技术也至关重要。自旋态用作量子比特态的电子都是相同的，但它们周围的环境却不同。因此，需要精确校准控制量子比特信号。此外，自旋量子比特要求每个量子比特有多条电压控制线，外加可能共享的微波控制线。在《利用英特尔开发的AWG实现高保真单自旋量子比特控制》[3]一文中，英特尔介绍了内部开发的控制和校准软件。它可以产生硬件无关的脉冲序列，由控制电子设备解释。特别是，英特尔证明了内部开发的任意波形发生器(AWG)是相干量子比特控制的有用工具。他们利用AWG的高指令带宽(上传速度)，加上大容量存储器，在天然硅样品中实现了接近99.9%的单量子比特随机基准保真度。

总之，从硅基量子比特的制造、测试和控制到双量子比特门的实现，英特尔为最终在半导体工艺线上量产量子比特铺平了道路。

参考链接：

[1]https://meetings.aps.org/Meeting/MAR22/Session/Y36.4

[2]https://meetings.aps.org/Meeting/MAR22/Session/B39.4

[3]https://meetings.aps.org/Meeting/MAR22/Session/S36.5

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