量子プロセッサのスケーラブルな制御技術に向けて協力

September, 2, 2024, Freiburg--量子コンピュータを使えるようにするためには、少なくともスケールドシステム(規模を調整できるシステム)における制御技術の開発は重要だが、まだ初期段階にある。Project ARCTICは、産業界、学界、主要なRTOから36の国際パートナーを結集し、完全で包括的な欧州のサプライチェーンを確立し、極低温量子プロセッサのためのスケーラブルで信頼性の高い革新的な制御インフラストラクチャを開発する。ドイツのFraunhoferIPMS研究所とFraunhoferIAFは、デバイスの特性評価に関する広範な専門知識を提供している。EUは、3年間で1,100万ユーロ超の資金をプロジェクトに提供している。

量子コンピューティングは、現在、従来のコンピュータではまったく手の届かない問題を効率的に解決するための最も有望な候補と見なされている。 このようなコンピュータが機能するには、膨大な制御技術とインタフェースが必要になる。クライオスタット内の絶対零度ケルビン近くで動作するqubitsに基づく量子コンピュータの場合、スペースの制限、ワイヤを介した熱交換、および長いワイヤによるシグナルインテグリティのために、機械からクライオスタットに供給される可能な信号線の数は現在限られている。

「極低温での電子機器や回路に求められる性能要件は、室温と比べて大きく異なる。特に、量子プロセッサのような非常に機密性の高いアプリケーションとのインタフェースでは、マイクロエレクトロニクス技術のあらゆる側面を最適化する必要がある」と、ベルギーの研究センターimecでARCTIC(Advanced Cryogenic Technologies for Innovative Computing)の科学リーダー、Alexander Grillは話している。期待されるプロジェクトの成果は、計算化学、バイオサイエンス、ライフサイエンス、データ保護に必要な暗号化、サイバーセキュリティなどの分野で既存の問題を解決できる、非常に需要の高い技術を実現する重要な要因と見なされている。

ARCTICは、産業界、学界、主要なRTOsから36のパートナーを結集し、新興の量子コンピューティング業界と様々なクライオ対応ICTアプリケーションを中心に、極低温フォトニクス、マイクロエレクトロニクス、クライオマイクロシステムの完全かつ包括的な欧州のサプライチェーンを確立している。

Fraunhoferは、フォトニックマイクロシステム研究所(IPMS)および応用固体物理学IAFとともにARCTICに関与している。このプロジェクトでは、極低温環境における半導体デバイスの特性評価と、フルウエファ上の極低温量子コンピューティングプロセッサ周辺デバイスの特性評価、および異常に低い温度でのトランジスタとメモリデバイスの電気的挙動の解析に焦点を当てている。

FraunhoferIAFは、極低温量子プロセッサの周辺機器の特性評価を行っている
デバイスの特性評価は、特に低温測定や長いクールダウン時間とウォームアップ時間を伴う特性評価に関しては、時間がかかると同時に非常に重要である。FraunhoferIAFは、自動化された極低温フルウエファプローバを使用して、商用サイズのウエファ上の極低温量子プロセッサの周辺デバイスの特性評価機能を提供することにより、ARCTICで重要な役割を果たしている。FraunhoferIAFは、200mmおよび300mmウエファの工業試験までのR&D目的の半導体デバイスの特性評価方法論に関する広範な知識に加えて、2ケルビン未満の低温試験セットアップを提供するヨーロッパでも数少ないプロバイダの1つである。極低温デバイスの特性評価と主要技術の統計的変動性に関するこの深い知識は、ARCTICに不可欠であり、量子コンピューティングのスケールアップに必要な極低温技術の産業試験を加速するのに役立つ。

FraunhoferIAFのプロジェクトは、EU(Horizon Europe)が資金提供し、ドイツ連邦教育研究省(BMBF)が共同出資している。

FraunhoferIPMSは、商用半導体デバイスの特性評価におけるコンピテンシーに貢献
FraunhoferIPMSのナノエレクトロニクス技術センタ(CNT)は、バイポーラトランジスタとCMOSトランジスタ、および極低温でのメモリ素子の特性評価とモデリングに焦点を当てている。22FDX FDSOI技術における商用トランジスタの高周波、ノイズ、欠陥の特性評価とモデリング、および最適化された不揮発性強誘電体メモリの開発に重点が置かれる。そのためには、極低温環境やフルウエファでの特性評価方法を改善し、電界効果トランジスタやメモリデバイスが異常に低い温度でどのように振る舞うかを深く理解することが重要である。「われわれは、トランジスタのエネルギー的な位置と電気的欠陥の数について新たな洞察を得たいと考えている。これにより、業界は新しいクライオ指定製品を提供でき、Fraunhoferはこれらの製品に対して独自の特性評価方法を提供できるようになる。電子機器の欠陥誘起ノイズの低減は、qubit状態のコヒーレンス時間を増加させるための重要な要素であり、そのため、開発された方法論は極低温量子コンピューティングのアプローチに直接関連している。不揮発性メモリに関しては、クライオスタット内部の冷却能力が非常に限られているため、デバイスの消費電力を最小限に抑えることがさらに重要になる」と、ドイツのドレスデンにあるCNTの量子技術グループの研究者、Dr. Maik Simonは説明している。

FraunhoferIPMSの能力を示すもう一つの例は、電気的特性評価と物理モデリングにより、極低温環境に対する不揮発性強誘電体3端子メモリの適用性を調査すること。この先駆的な研究により、デバイスが低温でどのように動作し、スイッチング特性、統合密度、信頼性を向上させるためにどのようなパラメータを変更できるかが明らかになる。

FraunhoferIPMSのプロジェクトは、ドイツ連邦教育研究省(BMBF)とザクセン州経済労働運輸省(SMWA)の共同出資を受けている。

ARCTICについて
ARCTICは、技術開発者、技術インテグレータ、モデラー、設計者、システム/アプリケーションプレーヤ、エンドユーザを結集し、それぞれのレイヤー間のスムーズなインタフェースを確保する。同時に、クライオモデリングや標準化の分野では、ミッシングリンクに多大な労力を注いでいる。さらに、ヨーロッパ独自のR&Dエコシステムを強力に活用し、RTOsが協力して、学術的イノベーションモデルと産業価値化の間の架け橋を形成している。