米乐m6官方网站【会长石村和彦】（以下简称“AIST”）器件技术研究部【研究主任中野隆】新原理器件研究组特别研究员饭冢翔太、首席研究员森隆宏等硅旋转量子位设备、自旋量子位元素和必要的操作微型磁铁
已集成超过100万个量子比特，使量子计算机投入实际应用纠错（通用）量子计算机是所期望的。 AIST 正在研究可以利用现有半导体集成技术的硅自旋量子位器件。为了实现大规模集成，需要降低制造差异引起的特性缺陷的发生率，同时使大量自旋量子位器件正常运行。然而，由于缺乏大规模评估大量自旋量子比特器件的实验技术，制造偏差容差通过实验。 AIST 一直在开发一种可以评估这些事物的模拟器。在这项研究中，我们设计了一种新结构，其中自旋量子位器件高速运行所需的微磁体嵌入在器件的下侧，并使用模拟器评估了高速运行和对制造变化的耐受性。结果，与在布线层中形成磁体的传统结构相比拉比振动（自旋运行速度）可以提高约10倍，并且可以大大提高对制造变化的容忍度，这是限制可集成的量子位的最大数量的因素。
这项研究的详细内容将在2021年6月13日至19日在线举行的国际会议“2021年超大规模集成电路技术与电路研讨会”上进行介绍，并被选为亮点论文。
本次设计的新型硅自旋量子位器件和微磁体集成结构示意图
晶体管技术作为大规模集成电路的基本元件，支撑了信息处理技术的进步，但近年来其发展速度有所放缓。然而，另一方面，人们渴望通过利用人工智能（AI）和大数据进行高度复杂的信息处理来解决日益复杂的社会问题的信息处理技术，并且专门用于此类信息处理的计算机硬件的研究和开发正在活跃。其中，量子计算机可以在短时间内解决传统信息处理技术无法解决的复杂问题，并应用于物流、金融等现实应用中。组合优化问题的计算以及材料领域中使用的量子化学计算，包括新材料的开发和药物的发现。为了实际使用，需要集成超过100万个自旋量子位，但目前，超导性量子位器件类型只能集成不到100个量子位，而硅自旋量子位器件类型只有3个量子位，因此需要建立一种能够使两者实现更高集成度的技术。
AIST 开发了可在高温下运行的自旋量子位 (AIST 新闻稿 2019 年 1 月 24 日）和量子比特控制电路的发展，我们取得了旨在实现微硅量子计算机硬件的器件技术和集成技术相关成果。
10337_10467脉冲 TCAD，我们一直在开发模拟器来评估硅自旋量子位器件的性能。法国的信息技术实验室（LETI）和比利时的校际微电子中心（IMEC）也在进行类似的开发，但能够模拟自旋量子位器件特性的器件模拟器的开发才刚刚开始。
这项研究和开发得到了文部科学省的光学和量子飞跃旗舰计划 (Q-LEAP) 的支持，该计划提供量子信息处理领域的基础研究“使用硅量子位实现量子计算机的大规模集成电路”(JPMXS0118069228)。
这一次，AIST 宣布了一种新结构，该结构集成了自旋量子位器件高速运行所需的微型磁铁。在所提出的结构中，通常放置在自旋量子位器件顶部的微磁体形成在器件的下侧。微磁体更接近自旋量子位器件，使其更强，适合高速运行梯度磁场顶部还有接线空间自对准工艺技术可以采用增加对制造变化的容忍度的方法。
在所提出的结构中，我们首先假设了实现通用量子计算机所需的类似点阵的位排列（图 1 左）。模拟器的计算结果表明，当从顶部看时，将微磁体放置在自旋量子位器件的四个角中的两个角（图1的中心）时，可以获得最强的梯度磁场强度。拉比频率随着梯度磁场的大小成比例地增加，但新设计的结构表明它可以增加到传统结构的约10倍。
图1从顶部看的格子状位排列（左）和微磁体的位置（中），以及获得的拉比频率（右）
接下来，我们使用模拟器验证了所提出结构的制造偏差公差。在正常的制造过程中，自旋量子位元件和微磁体的相对位置会发生微小的偏移，这是制造偏差的一种。另一方面，当采用自对准工艺技术时，量子位本身成为位置参考，因此自旋量子位元件和微磁体之间不存在相对错位（图2左），这使得它对制造变化的容忍度很高，并且不太可能因制造变化而导致特征缺陷。这一优势是自旋量子位器件最重要的性能参数算术错误率进行验证不良特性的判断值设置为通用量子计算机所需的计算错误率为1%。普通的形成方法不能容忍自旋量子位和微磁体的位置之间哪怕是1 nm的偏差，但通过采用这种结构，即使在4 nm处，计算误差率也可以保持在1%以下（图2，右）。目前最先进的极紫外光刻设备中发生的未对准是缺陷率的指标3σ值据说约为 2 nm，但这种结构可以容忍高达两倍的偏差，即 4 nm 或 6σ 值。由于器件结构中超过 6σ 值的缺陷发生率为百万分之三，因此预计该结构将能够抵抗制造变化，从而允许集成多达 100 万个器件以防止未对准。传统结构的限制约为 10 个单元，因此这一结果预计将是一个重大改进。
图2 制造工艺的差异（左）和发生错位时的计算错误率（右）
利用AIST开发的可模拟自旋量子比特器件特性的器件模拟技术，我们将继续设计和验证可大规模集成的量子计算机技术。此外，我们将设计一个量子电路，其中包括实现量子计算机所需的元件，例如运算的执行、运算结果的读取以及自旋量子位元件的耦合。同时，我们也愿意为大规模低温实验评估技术的实际应用做出贡献。
国立产业技术综合研究所
器件技术研究部新原理器件研究组
AIST 特别研究员 Shota Iizuka 电子邮件：s-iizuka*aistgojp（发送前请将 * 更改为 @。）
首席研究员 Takahiro Mori 电子邮件：mori-takahiro*aistgojp（发送前请将 * 更改为 @。）