Shuttle-Struktur für Elektronen-Spin-Qubits

Die Entwicklung von Quantencomputern birgt viel Potenzial und verspricht große Leistungssteigerungen im Vergleich zu herkömmlichen Computern. Für einen kommerziellen Nutzen werden viele Qubits benötigt, die alle miteinander koppelbar („verschränkbar“) sind. Qubits lassen sich auf vielfältige Weise erzeugen, z. B. aus Atomen, Licht oder supraleitenden Schwingkreisen. Besonders gut zu hohen Qubit-Zahlen skalierbar sind Elektronen-Spin-Qubits, weil sie auf kommerziell verfügbarer Halbleitertechnologie aufbauen und nur geringe Abmessungen haben.

Das Exponat zeigt eine Elektronen-Transportstruktur für Quantencomputer auf Basis von Elektron-Spin-Qubits. Das Elektron (also das Qubit) befindet sich in der isotopenreinen 28Silizium-Schicht (grau) zwischen Schichten aus Silizium-Germanium (weiß) und wird durch die Spannungen an zahlreichen Gates (schwarz) an der Oberseite in seiner seitlichen Position festgelegt. Isolierende Schichten (blau) trennen die einzelnen weniger als 40 nm breiten Gates voneinander und nach unten hin. Durch abwechselnd positive und negative Spannungen an den Gates kann ein Elektron, das an einem Ende der Struktur erzeugt wurde, hin zu einem Elektron bewegt werden, das am anderen Ende erzeugt wurde. Dadurch können die Qubit-Informationen der Elektronen miteinander verschränkt werden. Besondere Herausforderungen bei der Herstellung sind das möglichst defektfreie Erzeugen der Si/SiGe Schichtstapel und der dicht nebeneinander liegenden Gate-Strukturen.

Die Strukturen werden im BMBF-geförderten Projekt »QUASAR« (Laufzeit 01.02.2021 – 31.01.2025) auf 200 mm großen Wafern hergestellt. Das Konzept für die Struktur stammt von der RWTH Aachen und dem Forschungszentrum Jülich, die gemeinsam das Start-up ARQUE gegründet haben. Das Leibniz IHP stellt durch Epitaxie den Schichtstapel her, während das Fraunhofer IPMS die Gate-Strukturen durch hochaufgelöste Elektronenstrahl-Lithographie sowie Mikromagnete erzeugt. Der Industriepartner Infineon ist im Projekt für die Kontakte und Gate-Strukturen zuständig. Weitere Beiträge zur Vermessung und zu Simulationen stammen von der Universität Konstanz, der Universität Regensburg, dem Fraunhofer IAF und HQS Quantum Simulations.