近日，比利時(shí)微電子研究中心（imec）宣布成功演示了高質(zhì)量 300 毫米硅基量子點(diǎn)自旋量子比特處理，該設(shè)備在 1Hz 時(shí)產(chǎn)生具有統(tǒng)計(jì)意義的平均電荷噪聲 0.6μeV/√ Hz。就噪聲性能而言，所獲得的值是在 300 毫米晶圓廠兼容平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的最低電荷噪聲值。如此低的噪聲值可實(shí)現(xiàn)高保真量子比特控制，因?yàn)榻档驮肼晫?duì)于保持量子相干性和高保真控制至關(guān)重要。通過(guò)在 300 毫米 Si MOS 量子點(diǎn)工藝上反復(fù)且可重復(fù)地演示這些值，這項(xiàng)工作使基于硅基量子點(diǎn)的大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)成為現(xiàn)實(shí)。

硅基量子點(diǎn)自旋量子比特是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)的有前途的構(gòu)建模塊，主要有兩個(gè)原因。首先，具有長(zhǎng)量子相干時(shí)間（反映其長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)量子信息能力的指標(biāo)）和高保真量子門(mén)操作的硅基自旋量子比特已在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中反復(fù)演示，因此是一種成熟且經(jīng)過(guò)測(cè)試的技術(shù)，具有現(xiàn)實(shí)的前景。其次，對(duì)于長(zhǎng)期可行性而言，可能更重要的是，底層技術(shù)與 CMOS 制造技術(shù)兼容且緊密相關(guān)，因此提供了晶圓級(jí)均勻性和良率的可能性，并且硅基量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)需要先進(jìn)的后端互連，而這正是真正大規(guī)模量子芯片所必需的，其中數(shù)百萬(wàn)甚至數(shù)十億個(gè)量子比特同步運(yùn)行。

存在幾種類型的硅基量子點(diǎn)自旋量子比特，imec 正在對(duì)其進(jìn)行研究。在這項(xiàng)工作中，量子點(diǎn)自旋量子比特由金屬氧化物半導(dǎo)體 (MOS) 量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)定義，這種結(jié)構(gòu)類似于經(jīng)過(guò)修改的晶體管結(jié)構(gòu)，用于捕獲電子或空穴的單個(gè)自旋。為了實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)的量子相干時(shí)間，噪聲（特別是量子點(diǎn)的電荷噪聲）應(yīng)盡可能低。該噪聲通常來(lái)自殘留電荷，這些電荷被捕獲在量子點(diǎn)附近甚至內(nèi)部，去除這些電荷是提高自旋量子比特性能的關(guān)鍵。最終，這取決于量子點(diǎn)量子比特結(jié)構(gòu)的完整處理堆棧，因?yàn)樾枰M量減少引入的任何缺陷。雖然這可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)室技術(shù)（例如非常溫和的剝離工藝）來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而減少工藝損傷，但工業(yè)制造技術(shù)（如減法蝕刻和基于光刻的圖案化）已被證明很容易導(dǎo)致設(shè)備和界面質(zhì)量下降，特別是在量子點(diǎn)量子比特附近的 Si/SiO2 界面處。因此，在專業(yè)制造設(shè)施中制造的基于 Si/SiO2 的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的電荷噪聲通常高于使用實(shí)驗(yàn)室處理獲得的值。

通過(guò)精心優(yōu)化和設(shè)計(jì) 300 毫米 Si/SiO2 基 MOS 柵極堆棧，imec 在 300 毫米晶圓上實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的低平均電荷噪聲水平，僅為 0.6μeV/√ Hz（1Hz 時(shí)），并使用統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行了表征。imec 研究員兼量子計(jì)算項(xiàng)目總監(jiān) Kristiaan De Greve：“我們展示了電荷噪聲水平，與目前最先進(jìn)的基于晶圓廠的 Si 量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)相比，噪聲水平降低了半個(gè)數(shù)量級(jí)到一個(gè)數(shù)量級(jí)，并實(shí)現(xiàn)了非常均勻的量子點(diǎn)操作。我們的結(jié)果證實(shí)，300 毫米 Si MOS 是量子點(diǎn)自旋量子比特的有力材料平臺(tái)，并凸顯了量子比特開(kāi)發(fā)工業(yè)制造技術(shù)的成熟度。”

此外，用于表征低電荷噪聲設(shè)備的統(tǒng)計(jì)分析方法揭示了其起源的基本見(jiàn)解。“了解電荷噪聲的來(lái)源將為我們提供進(jìn)一步優(yōu)化量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的方向，”De Greve 補(bǔ)充道。“低噪聲量子比特環(huán)境和 CMOS 制造的一致性只是一系列使能技術(shù)發(fā)展的開(kāi)始，這些技術(shù)發(fā)展將使量子芯片升級(jí)為最終的實(shí)用量子計(jì)算，根據(jù)目前的理解，這將需要數(shù)百萬(wàn)個(gè)物理量子比特。”