米乐m6官方网站（以下简称“AIST”）器件技术研究部研究员稻叶拓美、研究员Hiroshi Oka、研究组组长Takahiro Mori是量子位设备在极低的温度下运行以进行控制晶体管的噪音我们已经确定了疫情的起源。
走向大规模集成量子计算机，量子比特设备的控制功能，目前安装在冰箱外面集成电路它必须安装在冰箱内并在极低的温度下运行。控制集成电路容易受到噪声影响模拟电路，而这里产生的噪声大大降低了量子计算机的性能。迄今为止，组成集成电路的晶体管在极低温度下工作时产生噪声的根源尚不清楚。在这项研究中，我们统计评估了大量晶体管的噪声产生现象，发现在极低的温度下，原子大小的缺陷相关。产生噪音。这将加速研究，通过降噪提高控制集成电路的性能，并最终提高量子计算机的性能。
该技术的详细信息将于2023年6月15日（日本时间）举行的2023年超大规模集成电路技术与电路研讨会上公布。
近年来材料化学计算是啊组合优化问题纠错量子计算机的高性能量子计算机，需要同时实现三件事：1）增加集成量子位的数量（目标是100万个量子位），2）降低错误率，3）增加一个进程中可以执行的操作数量。这项研究的结果与（1）集成量子位数量的增加和（3）操作数量的增加有关。
为了增加集成量子位的数量（1），即提高集成度，需要将目前安装在冰箱外部的控制功能转换为集成电路，并将其安装在冰箱内部，以便控制大量的量子位。超导量子位是啊半导体量子位时，控制集成电路将在绝对温度为4开尔文（-26915摄氏度）的极低温环境下工作，并且用于在极低温下工作的控制集成电路的晶体管的开发正在全球范围内取得进展。
为了增加③中一个进程可以执行的操作数量，相干时间相干时间越长，量子计算机可以执行的操作就越多。电噪声会降低相干时间，因此降低量子位本身产生的噪声和控制集成电路中产生的噪声的技术对于实现大规模集成量子计算机非常重要。
为了既提高集成度又增加计算量，有必要建立一种技术来降低在极低温度下工作的晶体管的噪声。然而，这种噪声产生的根源尚未弄清楚，这阻碍了降低噪声技术的发展。
AIST的目标是在量子计算机的研发中利用超导量子位和硅半导体量子位实现大规模集成。迄今为止，AIST已开发出超导量子退火机（2021 年 7 月 6 日 AIST 主要研究成果) 和用于自旋量子位读出的电流测量电路 (2022 年 6 月 14 日 AIST 新闻稿)。其中，器件技术研究部正在进行控制集成电路用低温晶体管技术的研究开发，现已查明低温晶体管噪声产生的根源。
本研究开发是受国家研究开发法人新能源产业技术综合开发机构（NEDO）“量子计算与伊辛计算系统的综合研究开发（2020-2027年）”（JPNP16007）和文部科学省光学与量子飞跃旗舰计划（Q-LEAP）委托的项目“量子计算与伊辛计算系统的综合研究开发”（Q-LEAP）的实现使用硅量子位的量子计算机的大规模集成电路（2018-2027）”（JPMXS0118069228）。
在这项研究中，我们对大量晶体管在低温下的噪声产生现象进行了统计实验评估，发现与原子尺寸缺陷一起发生的微小原子位置位移是低温晶体管中噪声产生的根源。为了进行统计实验评估，我们使用了在 AIST 超级洁净室 (SCR) 中在 300 mm 晶圆上制造的微晶体管。
AIST 之前的研究表明，低温操作晶体管中的噪声源位于构成晶体管的栅电极正下方的氧化硅膜界面附近（图 1，Hiroshi Oka 等人在 2020 年 VLSI 研讨会上展示）。但起源尚未确定。
图1晶体管示意图及氧化硅膜界面电子显微照片
无法识别的原因是此时使用的晶体管很大，并且观察到的噪声是许多噪声源的平均值。因此，在这项研究中，我们使用了仅包含少量噪声产生源的微型晶体管。结果，我们能够区分和观察单次爆发的起源所产生的噪音。图 2 显示了单个微晶体管产生的噪声。6这是通过测量赫兹范围内的频率分量的强度获得的数据，同时以 1 度的增量改变温度，从绝对温度 300 开尔文（27 摄氏度）到 3 开尔文（负 27015 摄氏度）。这些条纹（水平线）中的每一个都是在每个温度下生成的噪声数据。
图 2 观察单一来源产生的噪声的实验数据
*这是对原始论文中的数字的引用或修改。
通过将条纹的出现（噪声的每个频率分量的强度分布）与理论进行比较，可以计算噪声产生源特有的能量，称为陷阱能量。由于针对每个噪声产生源唯一确定陷阱能量，因此可以根据陷阱能量识别噪声产生源。图2所示的数据是通过测量一个晶体管获得的数据，但如果测量另一个晶体管，则会得到不同条纹的数据。因此，我们测量了大量的晶体管，获取各种条纹的数据，计算陷阱能量，并进行统计。图 3 显示了统计数据。纵轴是计算出的陷阱能量，横轴是噪声发生时的温度。总之，我们发现，在接近室温的温度下，氧化膜中的缺陷是噪声产生的主要来源，但随着温度降低，界面缺陷成为噪声产生的主要来源，而在极低的温度下，与这些缺陷相关的原子位置的微小扰动成为噪声产生的主要来源。
图3统计结果得到的噪声产生温度与陷阱能量的关系
*原始论文中的数字被引用或修改。
在室温下引起噪声的氧化膜缺陷是氧化膜中一个原子的损失。类似地，界面缺陷是界面上缺失的原子。当一个原子脱落并产生缺陷时，周围的原子会轻微移动，从而扰乱原子位置。这就像当你双手握在一起保持平衡时，但如果松开一只手，你就会失去平衡并移动。氧化膜中的缺陷、界面处的缺陷以及原子位置的扰动可以捕获和释放携带电流的电荷。这会导致电流波动并产生噪声。当晶体管在室温下工作时，原子位置的扰动对噪声影响很小。然而，这项研究的结果表明，当在极低的温度下运行时，甚至有必要考虑原子位置的微小扰动。
因此，在极低的温度环境下，可以通过消除引起微小原子位置扰动的缺陷来降低噪声。减少噪声会增加量子位的相干时间，从而增加量子计算机在单个进程中可以执行的操作数量。实现如此高性能将导致实现量子计算机实际应用所需的性能。
这次获得的结果对于提高硅量子比特器件的性能也将有所帮助。硅量子位器件与晶体管类似，因此它们具有相同的噪声产生根源。同样，通过减少噪声产生源，可以减少硅量子比特器件本身产生的噪声，这被认为可以提高硅半导体量子计算机的性能。
从现在起，基于这次获得的成果，我们的目标是使用控制集成电路和采用噪声源降低技术的硅量子比特器件来实现大规模集成量子计算机。
已出版的杂志：2023 年 IEEE VLSI 技术与电路研讨会，技术论文摘要
论文标题：确定短沟道体 MOSFET 低温操作中的低频噪声源
作者：Takumi Inaba、Hiroshi Oka、Hidehiro Asai、Hiroshi Fuketa、Shota Iizuka、Kimihiko Kato、Shunsuke Shitakata、Koichi Fukuda 和 Takahiro Mori