Hohe Ausbeute, geringe Variabilität - Silizium CMOS Technologie für die Realisierung von Spin Qubits

• Antragsteller: Professor Dr. Joachim Knoch; Dr. Lars Reiner Schreiber
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 421769186

Alle Bausteine für einen spin-basierten Quantencomputer wurden in den letzten Jahren mit elektrostatisch definierten Quantendots im GaAs- bzw. Si-Materialsystem realisiert. Die verbleibende Gatter-Infidelität kann durch eine sogenannte Surface Codes korrigiert werden, wozu aber eine große Zahl physikalischer Qubits benötigt wird. Damit hängt die Machbarkeit eines Quantencomputers also direkt mit der Skalierbarkeit des Systems zusammen. Die Fabrikationstechniken der Proben jedoch sind noch unausgereift, was zu geringer Ausbeute und hoher Bauteilvariabilität führt und darüber hinaus benötigte, komplexe Bausteine wie beispielsweise einen Quantum Bus unmöglich macht. In dem hier vorgestellten Projekt wird eine Qubit-Technologie entwickelt, die auf Fabrikati-onstechniken der industriellen CMOS Herstellung beruht, welche Skalierbarkeit durch Reproduzierbarkeit und einen hohe Ausbeute ermöglichen. Für die Realisierung und Justierbarkeit der Qubits, wird eine sehr große Anzahl von nanoskaligen Gatterelektroden benötigt, die im Projekt auf einer SiGe Halbleiterheterostruktur realisiert werden. Dabei werden einzelne Elektronenspins, die jeweils ein Qubit darstellen, elektrostatisch eingefan-gen. Für die reproduzierbare Realisierung solcher Gatterstrukturen werden im Projekt sogenannte Damascene- and Spacer-Prozesse verwendet. Dadurch kann auf industrie-inkompatible Prozesse wie Elektronenstrahllithographie verzichtet und gleichzeitig die Bauteilvariabilität minimiert werden, was die Ausbeute steigert und auch komplexere Bauteile wie einen Quantum Bus möglich macht. Die Fabrikation wird dabei für ein möglichst geringes Temperaturbudget entwickelt, um Auswirkun-gen auf die Heterostruktur (z.B. die Talaufspaltung in dem Si/SiGe Quantentrog) zu vermeiden und die Technologie auf verschiedene Systeme (z.B. GaAs/AlGaAs) transferieren zu können.Während des Projekts werden MBE gewachsene Si/SiGe vielfach-Quantenpunkt-Proben hergestellt. Justierbarkeit der Quantenpunkte, elektrostatisches Rauschen und die Talaufspaltung werden durch elektronische Transportmessungen bei 20 mK bestimmt. Weiterhin wird die Qubit-Funktionalität z.B. durch das Auslesen des Ladungszustandes durch benachbarte Quantenpunkte demonstriert. Dabei soll die Zahl der Quantenpunkte auf 40 erhöht werden ohne Justierbarkeit und Funktionalität der Qubits zu verlieren. Solche vielfach-Quantenpunkt-Proben werden es u.a. ermög-lichen die Talaufspaltung erstmalig über einen großen Bereich zu kartographieren. Der Einsatz von typischen Technologien der Halbleiterindustrie für die Herstellung von Spin-Qubits ebnet den Weg für die Möglichkeit des Hochskalierens der Anzahl von Spin-Qubits. Damit hat das Projekt das Potenzial hoch-relevante Beiträge für die Realisierung von zukünftigen Quanteninformationsprozessoren zu liefern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Kooperationspartner: Professor Dr. Dominique Bougeard