Quantum computing representerar ett revolutionerande steg i beräkningskraft, och lovar att lösa komplexa problem som för närvarande är svårlösta för klassiska datorer. Germaniumwafers har dykt upp som ett lovande material inom detta område på grund av sina unika egenskaper. Som leverantör av germaniumwafer har jag bevittnat det växande intresset för att använda germaniumwafers för kvantberäkningar. Det finns dock flera utmaningar som måste åtgärdas för att fullt ut förverkliga sin potential i denna ansökan.
Materialrenhet och defekter
En av de främsta utmaningarna med att använda germaniumwafers för kvantberäkning är att uppnå den erforderliga nivån av materialrenhet. Kvantsystem är extremt känsliga för föroreningar och defekter, vilket kan orsaka dekoherens och störa de känsliga kvanttillstånden. Även en enskild föroreningsatom kan ha en betydande inverkan på prestandan hos en kvantbit (qubit), den grundläggande enheten för kvantinformation.
I germanium kan föroreningar som bor, fosfor och andra grupp III- och V-element fungera som dopmedel, introducera oönskade bärare och påverka materialets elektriska egenskaper. Dessutom kan kristalldefekter såsom dislokationer, staplingsfel och punktdefekter också försämra prestandan hos qubits. Dessa defekter kan sprida elektroner och fononer, vilket leder till energiförluster och dekoherens.
För att övervinna dessa utmaningar krävs avancerade reningstekniker för att minska föroreningskoncentrationen i germaniumwafers till extremt låga nivåer. Till exempel är zonraffinering en vanlig metod för att rena germanium. Denna process innebär att en smält zon passerar längs en germaniumstav, vilket gör att föroreningar segregerar vid ändarna av staven. Flera passager av den smälta zonen kan avsevärt minska föroreningskoncentrationen.
Förutom rening behövs avancerade tekniker för kristalltillväxt för att minimera kristalldefekter. Till exempel är Czochralski-metoden allmänt använd för att odla germanium enkristaller. Genom att noggrant kontrollera tillväxtförhållandena, såsom temperatur, draghastighet och rotationshastighet, kan kvaliteten på kristallen förbättras. Men även med dessa tekniker är det fortfarande en betydande utmaning att uppnå en defekt - fri germaniumwafer.
Isotopberikning
Germanium har fem stabila isotoper, med olika kärnspinn. Inom kvantberäkning kan närvaron av kärnspinn orsaka dekoherens av qubits genom spin - spin-interaktioner. Till exempel kan qubits baserade på elektronsnurr i germanium påverkas av kärnspinn av germaniumatomer i gittret.
För att minska effekten av kärnspinn krävs ofta isotopanrikning. Genom att berika germanium med en specifik isotop, såsom Ge - 73, som har ett kärnspinn på 9/2, eller genom att använda isotoper med nokleärt spinn, som Ge - 70, Ge - 72 och Ge - 74, kan dekoherenstiden för qubits ökas avsevärt.
Isotopberikning är en komplex och dyr process. Det involverar vanligtvis tekniker som laserbaserad isotopseparation eller elektromagnetisk isotopseparation. Dessa metoder kräver specialiserad utrustning och en betydande mängd energi. Den höga kostnaden för isotopberikade germaniumwafers är ett stort hinder för deras utbredda användning i kvantberäkningar. Dessutom är tillgången på isotopberikat germanium begränsad, vilket ytterligare begränsar dess tillämpning i storskaliga kvantberäkningssystem.
Gränssnitt och ytkvalitet
Gränssnittet och ytkvaliteten hos germaniumwafers är avgörande för prestanda hos kvantenheter. Inom kvantberäkning tillverkas qubits ofta på ytan av germaniumskivor eller vid gränsytan mellan germanium och andra material. Eventuell strävhet, kontaminering eller naturligt oxidskikt på ytan kan påverka de elektriska egenskaperna och koherensen av qubits.
Det naturliga oxidskiktet på germanium är instabilt och kan orsaka Fermi-nivånålning, vilket påverkar bärarens rörlighet och prestanda hos kvantenheter. För att lösa detta problem krävs ytpassiveringstekniker för att skydda germaniumytan från oxidation och för att förbättra gränssnittets elektriska egenskaper. Till exempel har svavelpassivering visat sig vara effektiv för att minska tätheten av yttillstånd och förbättra bärarrörligheten i germanium.
Förutom passivering måste gränssnittet mellan germanium och andra material, såsom dielektrikum eller metaller, konstrueras noggrant. Valet av dielektriskt material är kritiskt, eftersom det kan påverka gate-oxidkapacitansen, läckströmmen och stabiliteten hos qubits. Till exempel används högk-dielektrik ofta för att minska läckströmmen och förbättra grindkontrollen i kvantenheter. Emellertid kan gränssnittet mellan germanium och högk-dielektrik introducera ytterligare defekter och gränssnittstillstånd, som måste minimeras.
Skalbarhet och tillverkning
Skalbarhet är en nyckelutmaning inom kvantberäkning, och detsamma gäller användningen av germaniumwafers. För att bygga en storskalig kvantdator måste tusentals eller till och med miljontals qubits integreras på ett enda chip. Detta kräver förmågan att tillverka germaniumbaserade qubits av hög kvalitet på ett reproducerbart och kostnadseffektivt sätt.
Nuvarande tillverkningsprocesser för germaniumbaserade kvantenheter är ofta komplexa och tidskrävande. De involverar vanligtvis flera litografi-, etsnings- och deponeringssteg, vilket kan introducera variabilitet och defekter. Dessutom gör den lilla storleken på qubits och den höga precision som krävs för deras tillverkning det svårt att skala upp tillverkningsprocessen.
Som leverantör av germaniumwafer arbetar vi ständigt med att utveckla nya tillverkningstekniker för att förbättra skalbarheten hos germaniumbaserade kvantenheter. Till exempel undersöker vi användningen av avancerade litografitekniker, såsom extrem ultraviolett (EUV) litografi, för att uppnå högre upplösning och bättre anpassning i qubit-tillverkning. Dessutom undersöker vi nya deponerings- och etsningsprocesser för att förbättra enhetligheten och reproducerbarheten av enhetens tillverkning.
Termisk hantering
Kvantberäkningssystem, särskilt de som är baserade på germaniumskivor, kräver extremt låga temperaturer för att fungera. Detta beror på att vid högre temperaturer kan termiskt brus orsaka dekoherens av qubits. De flesta kvantberäkningsexperiment utförs vid temperaturer nära absolut noll, vanligtvis inom intervallet några millikelvin.
Germanium har relativt dålig värmeledningsförmåga jämfört med vissa andra material, såsom kisel. Detta kan leda till problem med värmeavledning i kvantenheter. När qubits fungerar genererar de en liten mängd värme, och om denna värme inte försvinner effektivt kan det orsaka en ökning av enhetens temperatur, vilket leder till dekoherens.
För att lösa problemet med termisk hantering krävs avancerad kylteknik. Till exempel används utspädningskylskåp vanligtvis för att uppnå de låga temperaturer som krävs för kvantberäkning. Dessa kylskåp är dock dyra och har begränsad kylkapacitet. Att utveckla effektivare kyllösningar som kan hantera värmen som genereras av storskaliga kvantberäkningssystem baserade på germaniumwafers är en betydande utmaning.
Slutsats
Trots utmaningarna är potentialen hos germaniumwafers i kvantberäkning obestridlig. Deras unika egenskaper, såsom hög bärarmobilitet och kompatibilitet med befintliga halvledartillverkningsprocesser, gör dem till ett attraktivt material för kvantenheter. Som leverantör av germaniumwafer är vi fast beslutna att möta dessa utmaningar genom kontinuerlig forskning och utveckling.
Vi erbjuder en rad germaniumwafers, inklusive2 tum, 4 tum, 6 tum och 8 tum Ge-substrat, för att möta de olika behoven hos kvantdatorindustrin. Om du är intresserad av att utforska användningen av germaniumwafers för dina kvantberäkningsapplikationer, inbjuder vi dig att kontakta oss för ytterligare diskussioner och potentiella upphandlingsmöjligheter.
Referenser
- Veldhorst, M., et al. "En programmerbar två - qubit kvantprocessor i kisel." Nature 526.7575 (2015): 410 - 414.
- Morton, JJL, et al. "Enginering av atomära qubits i kiselkarbid." Nature 572.7768 (2019): 369 - 373.
- Lyon, SA, et al. "Kvantberäkning med kvantprickar." Reviews of Modern Physics 79.3 (2007): 1015.