Kvantno računarstvo predstavlja revolucionarni skok u računarskoj moći, obećavajući rješavanje složenih problema koji su trenutno nerješivi za klasične računare. Germanijumske pločice su se pojavile kao obećavajući materijal u ovoj oblasti zbog svojih jedinstvenih svojstava. Kao dobavljač germanijumskih pločica, iz prve ruke sam bio svedok rastućeg interesovanja za korišćenje germanijumskih pločica za kvantno računanje. Međutim, postoji nekoliko izazova koje treba riješiti kako bi se u potpunosti ostvario njihov potencijal u ovoj aplikaciji.
Čistoća materijala i nedostaci
Jedan od primarnih izazova u korišćenju germanijumskih pločica za kvantno računanje je postizanje potrebnog nivoa čistoće materijala. Kvantni sistemi su izuzetno osjetljivi na nečistoće i defekte, koji mogu uzrokovati dekoherenciju i poremetiti osjetljiva kvantna stanja. Čak i jedan atom nečistoće može imati značajan uticaj na performanse kvantnog bita (kubita), osnovne jedinice kvantne informacije.
U germanijumu, nečistoće kao što su bor, fosfor i drugi elementi grupe III i V mogu delovati kao dodaci, unoseći neželjene nosače i utičući na električna svojstva materijala. Dodatno, kristalni defekti kao što su dislokacije, greške u slaganju i tačkasti defekti takođe mogu degradirati performanse kubita. Ovi defekti mogu raspršiti elektrone i fonone, što dovodi do gubitaka energije i dekoherencije.
Da bi se prevazišli ovi izazovi, potrebne su napredne tehnike prečišćavanja kako bi se koncentracija nečistoća u germanijumskim pločicama smanjila na izuzetno niske nivoe. Na primjer, zonsko rafiniranje je uobičajena metoda za pročišćavanje germanija. Ovaj proces uključuje prolazak rastaljene zone duž germanijumske šipke, uzrokujući segregaciju nečistoća na krajevima štapa. Višestruki prolazi rastaljene zone mogu značajno smanjiti koncentraciju nečistoća.
Pored pročišćavanja, potrebne su napredne tehnike rasta kristala kako bi se minimizirali kristalni defekti. Na primjer, Czochralski metoda se široko koristi za uzgoj monokristala germanija. Pažljivom kontrolom uslova rasta, kao što su temperatura, brzina povlačenja i brzina rotacije, može se poboljšati kvalitet kristala. Međutim, čak i sa ovim tehnikama, postizanje germanijumske pločice bez defekata ostaje značajan izazov.
Isotop Enrichment
Germanij ima pet stabilnih izotopa, s različitim nuklearnim spinovima. U kvantnom računarstvu, prisustvo nuklearnih spinova može uzrokovati dekoherenciju kubita kroz spin-spin interakcije. Na primjer, kubiti zasnovani na spinovima elektrona u germaniju mogu biti pod utjecajem nuklearnih spinova atoma germanija u rešetki.
Da bi se smanjio uticaj nuklearnih spinova, često je potrebno obogaćivanje izotopom. Obogaćivanjem germanijuma specifičnim izotopom, kao što je Ge - 73, koji ima nuklearni spin 9/2, ili korišćenjem izotopa sa nultim nuklearnim spinom, kao što su Ge - 70, Ge - 72 i Ge - 74, vreme dekoherencije kubita može se značajno povećati.
Obogaćivanje izotopa je složen i skup proces. Obično uključuje tehnike kao što su lasersko odvajanje izotopa ili elektromagnetsko odvajanje izotopa. Ove metode zahtijevaju specijaliziranu opremu i značajnu količinu energije. Visoka cijena germanijumskih pločica obogaćenih izotopom je glavna prepreka njihovoj širokoj upotrebi u kvantnom računarstvu. Štaviše, dostupnost germanijuma obogaćenog izotopima je ograničena, što dalje ograničava njegovu primenu u velikim kvantnim računarskim sistemima.
Interfejs i kvaliteta površine
Interfejs i kvalitet površine germanijumskih pločica su ključni za performanse kvantnih uređaja. U kvantnom računarstvu, kubiti se često proizvode na površini germanijumskih pločica ili na interfejsu između germanijuma i drugih materijala. Svaka hrapavost, kontaminacija ili prirodni oksidni sloj na površini može utjecati na električna svojstva i koherentnost kubita.
Sloj prirodnog oksida na germaniju je nestabilan i može uzrokovati pričvršćivanje na Fermijevom nivou, što utiče na mobilnost nosača i performanse kvantnih uređaja. Da bi se riješio ovaj problem, potrebne su tehnike površinske pasivizacije kako bi se površina germanija zaštitila od oksidacije i poboljšala električna svojstva međusklopa. Na primjer, pokazalo se da je pasivizacija sumpora djelotvorna u smanjenju gustine površinskih stanja i poboljšanju pokretljivosti nosača u germaniju.
Pored pasivizacije, međusklop između germanija i drugih materijala, kao što su dielektrici ili metali, mora biti pažljivo projektovan. Izbor dielektričnog materijala je kritičan, jer može uticati na kapacitivnost gejta - oksida, struju curenja i stabilnost kubita. Na primjer, visoko k dielektrici se često koriste za smanjenje struje curenja i poboljšanje kontrole kapije u kvantnim uređajima. Međutim, interfejs između germanijuma i visokok dielektrika može dovesti do dodatnih defekata i stanja interfejsa, koja treba minimizirati.
Skalabilnost i proizvodnja
Skalabilnost je ključni izazov u kvantnom računarstvu, a isto se odnosi i na upotrebu germanijumskih pločica. Da bi se napravio veliki kvantni računar, hiljade ili čak milioni kubita moraju biti integrisani na jednom čipu. Ovo zahtijeva sposobnost proizvodnje visokokvalitetnih kubita zasnovanih na germaniju na ponovljiv i isplativ način.
Trenutni procesi proizvodnje kvantnih uređaja na bazi germanijuma često su složeni i dugotrajni. Oni obično uključuju višestruku litografiju, graviranje i korake taloženja, što može unijeti varijabilnost i defekte. Štaviše, mala veličina kubita i visoka preciznost potrebna za njihovu proizvodnju otežavaju povećanje proizvodnog procesa.
Kao dobavljač germanijumskih pločica, stalno radimo na razvoju novih proizvodnih tehnika za poboljšanje skalabilnosti kvantnih uređaja zasnovanih na germanijumu. Na primjer, istražujemo korištenje naprednih tehnika litografije, kao što je ekstremna ultraljubičasta (EUV) litografija, kako bismo postigli veću rezoluciju i bolje poravnanje u izradi kubita. Osim toga, istražujemo nove procese taloženja i jetkanja kako bismo poboljšali uniformnost i ponovljivost proizvodnje uređaja.
Thermal Management
Sistemi kvantnog računarstva, posebno oni zasnovani na germanijumskim pločicama, zahtevaju izuzetno niske temperature za rad. To je zato što na višim temperaturama, termalni šum može uzrokovati dekoherenciju kubita. Većina eksperimenata kvantnog računarstva provodi se na temperaturama blizu apsolutne nule, obično u rasponu od nekoliko milikelvina.
Germanijum ima relativno slabu toplotnu provodljivost u poređenju sa nekim drugim materijalima, kao što je silicijum. To može dovesti do problema s disipacijom topline u kvantnim uređajima. Kada kubiti rade, generiraju malu količinu topline, a ako se ta toplina ne raspršuje efikasno, može uzrokovati povećanje temperature uređaja, što dovodi do dekoherencije.
Da bi se riješio problem upravljanja toplinom, potrebne su napredne tehnike hlađenja. Na primjer, hladnjaci za razrjeđivanje se obično koriste za postizanje niskih temperatura potrebnih za kvantno računanje. Međutim, ovi frižideri su skupi i imaju ograničen kapacitet hlađenja. Razvijanje efikasnijih rješenja za hlađenje koja mogu podnijeti toplinu koju stvaraju veliki kvantni računarski sistemi zasnovani na germanijumskim pločicama je značajan izazov.
Zaključak
Uprkos izazovima, potencijal germanijumskih pločica u kvantnom računarstvu je neosporan. Njihova jedinstvena svojstva, kao što su visoka mobilnost nosača i kompatibilnost sa postojećim procesima proizvodnje poluvodiča, čine ih atraktivnim materijalom za kvantne uređaje. Kao dobavljač germanijumskih pločica, posvećeni smo rešavanju ovih izazova kroz kontinuirano istraživanje i razvoj.
Nudimo niz germanijumskih vafla, uključujućiGe podloga od 2 inča, 4 inča, 6 inča i 8 inča, kako bi se zadovoljile različite potrebe industrije kvantnog računarstva. Ako ste zainteresovani da istražite upotrebu germanijumskih pločica za vaše kvantne računarske aplikacije, pozivamo vas da nas kontaktirate za dalje diskusije i potencijalne mogućnosti nabavke.
Reference
- Veldhorst, M., et al. "Programabilni dvokubitni kvantni procesor u silicijumu." Nature 526.7575 (2015): 410 - 414.
- Morton, JJL, et al. "Inženjering atomskih kubita u silicijum karbidu." Priroda 572.7768 (2019): 369 - 373.
- Lyon, SA, et al. "Kvantno računanje s kvantnim tačkama." Pregledi moderne fizike 79.3 (2007): 1015.