Quanten-Computing-Chips: Von Forschung zur Serienproduktion

Teilchen weisen aufgrund ihrer Quantennatur eine Reihe nützlicher Eigenschaften auf. Magnetismus und die Polarisation von Licht sind zwei Beispiele für makroskopische Manifestationen der Quantennatur von Materie und elektromagnetischer Energie. Photonen haben vielseitig nutzbare Quanteneigenschaften und bieten breites Potenzial für das Quantencomputing. So können sie sowohl direkt die Grundlage für Qubits bilden, als auch für andersartige Qubits eine adiabatische (nicht wärmeerzeugende) Informationsverbindung in und aus dem Computer und zwischen seinen Elementen ermöglichen. Darüber hinaus werden in Anwendungen wie dem „Trapped Ion Quantum Computing“ Photonen genutzt, um die Qubits zu immobilisieren und zu kühlen.

Mit Technologien, die sich bereits in zahlreichen Anwendungen der Silizium-Photonik und für integrierte photonische Schaltkreise (PICs) bewährt haben, unterstützt PI die Weiterentwicklung der Quantenphotonik und fördert so den Übergang von der Forschung zur Serienfertigung.

Untersuchung von Stickstoff-Fehlstellen-Zentren (Nitrogen-Vacancy Center Defects)

Von großem Interesse ist die photonische Emission von Defekten auf atomarer Skala in Diamantkristallen. Ein typischer Defekt sind Stickstoff-Fehlstellen-Zentren (kurz: NV-Zentren) bei denen anstatt eines Kohlenstoffatoms ein Stickstoffatom in Kombination mit einer Fehlstelle im Kristallgitter des Diamanten eingebettet ist. Durch Beleuchtung mit einem stimulierenden Laser, erzeugen diese NV-Zentren völlig zufällige Photonenströme – ohne Vorgeschichte oder Beziehung zwischen einem emittierten Photon und dem nächsten. Dies ist eine wertvolle Eigenschaft für die Quantenarbeit. Die NV-Zentren können auch auf andere Weise manipuliert werden, um ihr Verhalten auf nützliche Weise zu ändern.

Um diese Einzelphotonenemitter im atomaren Maßstab zu lokalisieren und zu charakterisieren, haben Forscher der Purdue University und jetzt auch an der University of Illinois eine spezielle Analyseplattform entwickelt. Diese Plattform basiert auf einem inversen Mikroskop; als Träger für die Diamantprobe wird ein P-561-Nanopositioniertisch von PI genutzt. Gesteuert wird der Nanopositioniertisch von einem E-712 Controller von PI mit in der Firmware integrierter photonischer Scan- und Ausrichtungsfunktion. Mit einem schnellen Einzelfrequenz-Flächenscan, der Vibrationen minimiert, wird die Probe abgefahren während ein externer Photonenzähler die Emitter in der Probe detektiert. Der integrierte Datenrekorder des Controllers erfasst die Informationen des Photonenzählers als elektrischer Spannung, welche die Anzahl gemessener Photonen pro Millisekunden repräsentiert. Zusammen mit der jeweiligen Position der Datenpunkte werden diese abgespeichert. Die resultierende Feinkarte zeigt, wo sich NV-Zentren bzw. Emitter im Kristall befinden. Durch Anklicken eines Emitters auf dem Bildschirm kann dieser wieder automatisch angefahren und weiter analysiert werden. Hier kommt eine weitere Funktion in der Firmware des E-712 Controllers von PI zum Tragen: die Gradientensuche. Diese ermöglicht ein Tracking des Emitters während weiterer Messungen. Positionsänderungen, beispielsweise aufgrund von Störungen oder Temperaturschwankungen, können so kompensiert werden.

Die gesamte Workstation ist skriptfähig durch ein externes Programm, das in praktisch jeder Sprache geschrieben sein kann, wie beispielsweise Python oder MATLAB. So wird eine nahezu vollständig automatisierte Analyse der NV-Zentren eines Kristalls möglich. Das Ergebnis der Arbeiten der Forscher ist eine beeindruckende Reihe von veröffentlichten Artikeln mit Details zur Entwicklung der bis dato hellsten Einzelphotonenquellen.

Wafer Probing

Technologien, die in der Silizium-Photonik genutzt werden, auch für die Quantentechnologie einzusetzen, ist sehr verführerisch. Dies kann bedeuten, dass die etablierte Infrastruktur der Halbleiterfertigung für die Massenfertigung von Chips mit quantentechnischen Elementen genutzt werden könnte.

Dies hängt einerseits von Konstruktion und Leistung des genutzten Equipments ab. Andererseits erfordert es strenge Tests des Chipdesigns, von den frühesten Prototypen bis zur endgültigen Produktion. Tatsächlich kann das Intervall zwischen diesen beiden Testphasen Jahre betragen. Aber wenn ein Produkt dieses Stadium erreicht, bedeutet dies, dass die Produktion in Sichtweite ist!

Die wichtigsten elektrischen und photonischen Prüfungen beginnen auf Waferebene. Dies ist sowohl während des Engineerings und der Entwicklung nützlich als auch absolut entscheidend für die Wirtschaftlichkeit einer Produktion. Schließlich liegt der größte Teil der Kosten einer Komponente, also eines verpackten Chips, in der Aufbau- und Verbindungstechnik inklusive Häusung. Es wäre daher kostspielig, einen fehlerhaften Chip bis zu diesem Prozessschritt durchzureichen.

Wafer-Prober sind weit verbreitet, aber Wafer-Prober, die photonische Hochdurchsatztests durchführen können, sind Spitzenreiter auf diesem Gebiet und nur von einer Handvoll qualifizierter Hersteller erhältlich. FormFactor, der Hersteller von bahnbrechenden photonischen Wafer-Probern, hat seine schnellen photonischen Prober für das Testen von Quantencomputerchips optimiert und diese werden bereits an mehreren Stellen eingesetzt.
 

Die Nachricht, dass Quantencomputer-Wafer bereits Tests auf Wafer-Ebene unterzogen wurden, überraschte viele Branchenbeobachter. Das bedeutet, dass der Weg zur Serienfertigung klar ist ... und kurz.

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