近日，比利時微電子研究中心（imec）宣布成功演示了高質量 300 毫米硅基量子點自旋量子比特處理，該設備在 1Hz 時產生具有統計意義的平均電荷噪聲 0.6μeV/√ Hz。就噪聲性能而言，所獲得的值是在 300 毫米晶圓廠兼容平臺上實現的最低電荷噪聲值。如此低的噪聲值可實現高保真量子比特控制，因為降低噪聲對于保持量子相干性和高保真控制至關重要。通過在 300 毫米 Si MOS 量子點工藝上反復且可重復地演示這些值，這項工作使基于硅基量子點的大規模量子計算機成為現實。

硅基量子點自旋量子比特是實現大規模量子計算機的有前途的構建模塊，主要有兩個原因。首先，具有長量子相干時間（反映其長時間存儲量子信息能力的指標）和高保真量子門操作的硅基自旋量子比特已在實驗室環境中反復演示，因此是一種成熟且經過測試的技術，具有現實的前景。其次，對于長期可行性而言，可能更重要的是，底層技術與 CMOS 制造技術兼容且緊密相關，因此提供了晶圓級均勻性和良率的可能性，并且硅基量子點結構需要先進的后端互連，而這正是真正大規模量子芯片所必需的，其中數百萬甚至數十億個量子比特同步運行。

存在幾種類型的硅基量子點自旋量子比特，imec 正在對其進行研究。在這項工作中，量子點自旋量子比特由金屬氧化物半導體 (MOS) 量子點結構定義，這種結構類似于經過修改的晶體管結構，用于捕獲電子或空穴的單個自旋。為了實現較長的量子相干時間，噪聲（特別是量子點的電荷噪聲）應盡可能低。該噪聲通常來自殘留電荷，這些電荷被捕獲在量子點附近甚至內部，去除這些電荷是提高自旋量子比特性能的關鍵。最終，這取決于量子點量子比特結構的完整處理堆棧，因為需要盡量減少引入的任何缺陷。雖然這可以通過實驗室技術（例如非常溫和的剝離工藝）來實現，從而減少工藝損傷，但工業制造技術（如減法蝕刻和基于光刻的圖案化）已被證明很容易導致設備和界面質量下降，特別是在量子點量子比特附近的 Si/SiO2 界面處。因此，在專業制造設施中制造的基于 Si/SiO2 的量子點結構的電荷噪聲通常高于使用實驗室處理獲得的值。

通過精心優化和設計 300 毫米 Si/SiO2 基 MOS 柵極堆棧，imec 在 300 毫米晶圓上實現了創紀錄的低平均電荷噪聲水平，僅為 0.6μeV/√ Hz（1Hz 時），并使用統計方法進行了表征。imec 研究員兼量子計算項目總監 Kristiaan De Greve：“我們展示了電荷噪聲水平，與目前最先進的基于晶圓廠的 Si 量子點結構相比，噪聲水平降低了半個數量級到一個數量級，并實現了非常均勻的量子點操作。我們的結果證實，300 毫米 Si MOS 是量子點自旋量子比特的有力材料平臺，并凸顯了量子比特開發工業制造技術的成熟度。”

此外，用于表征低電荷噪聲設備的統計分析方法揭示了其起源的基本見解。“了解電荷噪聲的來源將為我們提供進一步優化量子點結構的方向，”De Greve 補充道。“低噪聲量子比特環境和 CMOS 制造的一致性只是一系列使能技術發展的開始，這些技術發展將使量子芯片升級為最終的實用量子計算，根據目前的理解，這將需要數百萬個物理量子比特。”