像做饭一样创造硅量子比特。
AIST 器件技术研究部加藤公彦的日常生活。
[洁净室中的设备开发研究_AIST Radio 2023 Spring]
洁净室。创建这个房间是为了尽可能消除灰尘。有些研究人员从早到晚大部分时间都在洁净室里度过。加藤说：“我不想设定固定的午餐时间，而是希望通过优先考虑工作时间来安排自己的时间。”我每天都在洁净室里来回走动，聆听每台设备不同的“完成声音”。我们请加藤先生解释在洁净室中所做的工作并回答“什么是研究？”的问题，请观看下面的视频，然后欣赏本文。
（摘自 2023 年 4 月 21 日发布的 AIST Radio 2023 Spring，进行了一些修改以使其更易于阅读。）
量子计算机和硅量子位
公共关系先生加藤，您所在的器件技术研究部门正在进行什么样的研究？
加藤我属于器件技术研究部新原理器件研究组。该小组对量子计算机进行研究，并创建高性能设备，这些设备的运行原理不同于计算机和智能手机中使用的传统 LSI（大规模集成电路）电路。最近，最大的主题是硅量子比特的生产，正如您在视频中看到的那样。
公共关系我明白了。你们正在研究硅量子位，同时也在研究其他高性能半导体。
加藤是的。我们正在同时做这件事。
公共关系现在，我们将询问您一些有关量子计算机的基本信息。它与传统计算机有何不同？
加藤我认为这是完全不同的。迄今为止，使用硅的LSI一直使用其内部的电子和流过其的电流作为信息介质。量子计算机利用称为“量子自旋”的量子力学效应作为新的信息介质。
公共关系您的意思是更小吗？
加藤或者更确切地说，量子粒子具有一种称为自旋的神秘状态，并且可以同时具有许多不同的状态。这允许同时并行计算极大量的数据，并且可以高速处理大量数据并得出答案。
公共关系我经常听说传统计算机只能表示0和1，但这是否意味着量子计算机可以表示多个1？
加藤这并不意味着（其他数字增加），而是意味着你可以同时拥有0和1的各种状态。这意味着它不是只有0或只有1的状态。
公共关系您的意思是，您可以通过重叠某些东西来表达各种状态这是否可以执行以前不可能的计算或更复杂的计算？
加藤是的。许多事情需要并行计算的情况例如，在药物发现应用领域，新药被创造出来，需要计算由许多原子组成的分子的所有状态，包括电子。虽然传统计算机必须逐项计算这些项目，但量子计算机可以并行计算所有项目，有可能（在短时间内）提供最终答案。
公共关系太棒了。那么，我们可以称其为量子计算机的心脏吗？有一个部分叫做量子比特，制作它的方法是这个视频中的硅量子比特，但是还有很多其他的，对吧？
加藤有很多事情。世界各地正在提出各种各样的方案，包括我们目前正在研究的一些利用硅中自旋的方案、其他利用超导性的方案以及其他利用光电子的方案。
公共关系您的意思是您正在尝试所有方法吗？
加藤感觉就像我们在世界各地竞争，创造新事物、检查其表现并提出建议。
关于硅量子位的优点
公共关系与其他制造方法相比，硅量子位有哪些特点？
加藤最大的特点是可以做得很小。从每个硅量子位的尺寸来看，其范围从几十纳米到100纳米。它很小。小尺寸意味着可以在很小的区域内构建许多量子位。
公共关系我明白了。
加藤另一个特点是制造时使用的制造技术。在硅中创建微结构的过程是一项相当先进的技术，已经开发用于创建智能手机和计算机中使用的大规模集成电路。我认为我们可以通过充分利用这样的东西来制造量子比特。在这种情况下，除了体积小的优势之外，由于先进的制造技术，硅量子位还有潜力能够创建以相同方式运行而没有变化的量子位，即使制造了大量量子位，也是如此。我认为硅量子位有潜力做到这一点。
公共关系这意味着我们将利用迄今为止所获得的大部分知识。
加藤是的，我们的想法是尽可能多地使用它。
新洁净室“COLOMODE”
公共关系我明白了。然后，原型被堆放在 AIST 筑波中心一个名为 COLOMODE 的洁净室中。加藤先生在视频中说道：“如今，并行运行三四个进程已经变得司空见惯。” COLOMODE 是在多少年前创建的？
加藤最近。它创建于 2022 年，所以我大约一年前开始使用它。
公共关系创建 COLOMODE 之前您是如何进行原型设计工作的？
加藤在那之前，我们工作的 COLOMODE 位于同一栋大楼的一楼，有一个单独的洁净室。在那段时间，我们使用硅晶圆制作原型，其尺寸是当前尺寸的一半，即 2 英寸（约 5 厘米）。虽然尺寸不同，但设备的配置完全不同，现在一切都是自动化的。晶圆被放置在盒中，由机器人搬运它们，但使用我们之前使用的设备，我们必须手动握住晶圆，涂上一层薄膜，清洗它们，然后重复该过程（手动）。在这种情况下，制造产品的人必须一直在那里，因此他们无法并行工作。
公共关系现在我可以并行工作，我的效率大大提高了。
加藤没错。有一件事是效率大大提高了。最重要的是它开始变得更加稳定。手工制作同样的东西是相当困难的，但是有了稳定的设备，现在无论多少次或由任何人都可以以相同的方式完成该过程。通过这样做，我们能够尝试我们想做的研究和我们想要尝试的各种事情。
公共关系现在我有一个非常多功能的厨房，里面有很多微波炉和烤箱，我觉得我可以非常高效地尝试很多不同的菜肴。
加藤你在视频中说这是一个电饭锅。电饭锅是高性能的，可以控制温度和时间的IH烹饪加热器已经很常见，压力锅是用电驱动的，所以我想有很多东西可以控制。
公共关系这意味着您可以不理会它。
加藤好了，只要输入你想使用的菜谱，按下开关，设备就会稳定、努力地工作。
公共关系我明白了。说到食谱，视频中 21 秒左右可能有一个例子。这个设备有什么作用？
加藤这是一种通过涂上一层称为抗蚀剂的薄膜然后将其曝光来显影晶片的设备。
公共关系我可以暂时看到操作面板屏幕，但这就是调用菜谱的地方吗？
加藤没错。在此屏幕上，左侧有三个具有不同颜色的方块（数字 1 至 3）。这是为了告诉您在三个晶圆上运行什么配方。现在，当您按下“开始”时，机器人将一件一件地搬运零件并根据您设置的配方进行工作。
公共关系这完全是并行工作，这意味着当我们开发和处理用于曝光的晶圆时，我们可以在另一个晶圆上运行曝光设备。这是否加快了原型制作过程？
加藤没错。速度也提高了，我想强调的是，这个过程现在可以留给设备，所以研究人员现在可以把时间用在其他事情上。因此，我现在能够花时间思考新事物，虽然我已经在制作原型，但我能够在其他地方进行测量和分析。确实，创建单个设备所需的时间变得更快，但我们可以做的总体事情却增加了，而且我们利用时间的方式也发生了显着变化。
设备制造过程中的困难
公共关系这意味着您可以非常有效地尝试各种事物。但即便如此，创建设备本身不也需要时间吗？视频中称，完成一个量子比特芯片至少需要两周，但大约一个月的时间。这是没有办法的事情吗？
加藤也许这也是没办法的事。这是因为单个设备需要经过数十甚至数百道工序才能制造出来。有清洗、贴膜、涂感光剂、曝光、显影……如果把这些步骤结合起来，就变成了大约100个步骤。所以即使不休息地移动，也需要时间。
公共关系我明白了。此过程的特点之一是耗时且无法撤消。
加藤没错。在进行晶圆加工时，我们经常谈论创建薄膜然后刮掉它……但是当我们创建薄膜时，我们不会将其应用到每个零件。将相同的薄膜施加到整个晶圆上，并使用光刻对感光材料进行图案化，将其用作保护膜，并且仅去除未被该薄膜保护的区域。因此，就工艺而言，设备并不是只去除目标区域，而是去除整个晶圆。我们通过我们设计的布局来保护它不被削减。而且，尺寸为数十纳米。我无法一一查看。通过组合这些东西来创建产品需要 10 或 100 个步骤。例如，如果在一个晶圆上形成薄膜时液体或设备的条件不正确，或者如果您在配方中犯了错误并且应用了错误的薄膜，则该晶圆此时就会失败。
公共关系此外，您提到温度和湿度会对输出产生影响。
加藤温度控制也很重要。房间本身就是洁净室，所以温度和湿度都是受到控制的，但遗憾的是这次没有展示这一点，但是有装置可以创建另一个恒温室来控制温度。金属因小数点以下的温度变化而膨胀和收缩。这可能会导致用于制造半导体的设备出现轻微的错位，因此我们尝试均衡温度以尽可能消除这种情况。
公共关系无法回头意味着，如果在此过程中做了一些无法挽回的事情，那么无论您在后面的步骤中如何努力，都将毫无用处。你如何防止这种情况发生？
加藤我们对此进行了各种改进，例如，除了实际制造器件的晶圆之外，我们有时还会将监控晶圆（放入盒中）放入。将其放入后，工艺完成后，您可以拉出监控晶圆并进行检查。您可以仔细检查薄膜是否附着以及是否已正确刮擦。
公共关系如果将其比作烹饪，那就像是品尝它。
加藤就是这样。
公共关系我认为监控晶圆的数量是有限的，但如果你只有监控晶圆，那么你想要制造的设备的晶圆就会更少。
加藤这可能是研究人员技能的展示。我谈到了从一系列过程中提取它，但我也会以另一种方式使用它。您可能认为过程已经完成，设备也已经完成，但当您尝试测量时，可能会发生意想不到的情况。我不知道这是一种意想不到的物理现象，还是由于一个奇怪的过程而发生了一些意想不到的事情。在这种时候，我有时会以一种我可以回顾的方式提取我所提取的内容并进行检查。
公共关系由于这是一个复杂而漫长的过程，因此必须巧妙地确定问题发生的位置。
加藤是的。我同意。
先生加藤的研究风格
公共关系我之前说过，研究人员专注于设计而不需要做太多手工工作会有什么好处。
加藤我想是的。我认为这是一件好事，也是我最近注意到或感受到的。到目前为止，正如我之前简要解释的那样，我们一直在手动洁净室中逐个处理每个晶圆。我并不讨厌这种细致的工作。我一直认为能够做这样的事情就是我的卖点。然而，随着像这样的新洁净室的建设，设备能够稳定地进行该过程。只要你按下开关，你就可以拥有自己的时间。在过去的一年里，我开始意识到研究人员需要思考新的事物，并且用他们的大脑来做这些事情并留出时间来思考它们是非常重要的。
公共关系我明白了。于是就有了一个发现。顺便问一下，加藤先生，您是多久前开始开发硅量子比特的？
加藤硅量子位是新事物。加入AIST已经好几年了。
公共关系在此之前您进行过哪些研究？
加藤我一直处于广义的半导体领域。如今，我们通过在设备上创建各种流程和长流程来创建一件事。过去，更多的是材料。半导体器件由金属、半导体和绝缘膜等多种材料组合而成。我们的研究重点是其中之一，例如绝缘膜。曾经有一段时间，我的研究风格是应用各种电影，分析一部影片，应用另一部电影，然后分析。
公共关系您正在进行研究以单独改善膜的特性，或者更确切地说是改善其性能。最近在半导体和量子位的研究中，这是否意味着您现在正在参与整体设计？
加藤是的。当我逐一研究每种材料时，我一直在脑海中思考这项技术是一种将用于半导体特定部分的薄膜。当我继续进行这种研究时，我开始想对整个半导体进行研究。本着这种精神，我将我的研究转向了这样的想法：我将能够设计新事物并通过结合所有流程来创造它们。
什么是研究
公共关系我明白了我现在可以看到加藤先生了。最后，请告诉我们研究对您意味着什么。
加藤是的。这是一个你可以接受挑战的地方。
公共关系酷！这传达了什么样的思想？
加藤我觉得我已经尝试过很多事情，无论是在我作为研究人员的工作中还是在我的个人生活中，但由于我不是一个坚强的人，尤其是在我的个人生活中，所以我经常觉得维持现状或放弃是可以的，因为这有点冒险。然而，研究不就是一项前人未曾涉足的工作吗？因此，虽然（被研究工作）推迟，但它激励我接受挑战，或者更确切地说，它给了我接受挑战的勇气。我是怀着这样的心情写下这篇文章的。
公共关系先生Kato 觉得新的 COLOMODE 这个拥有先进自动化处理的洁净室创造了一个具有挑战性的环境，他准备尝试一下。
加藤我觉得我需要鼓起勇气，一步一步走下去。
公共关系我明白了到目前为止，我们已经与设备技术研究部的 Kimihiko Kato 进行了交谈。非常感谢。
加藤非常感谢。