這項研究旨在解決當今量子計算面臨的最大挑戰(zhàn)之一：可擴展性。

imec宣布開發(fā)出全球首款采用高數(shù)值孔徑極紫外（High NA EUV）光刻技術(shù)制造的量子點量子比特器件。該成果在ITF World大會上發(fā)布，標志著利用先進半導體制造技術(shù)實現(xiàn)量子計算硬件產(chǎn)業(yè)化進程中的一個重要里程碑。這些先進半導體制造技術(shù)目前正用于未來的人工智能和高性能計算芯片。

這項研究旨在解決當今量子計算面臨的最大挑戰(zhàn)之一：可擴展性。盡管量子系統(tǒng)在解決經(jīng)典計算機無法處理的復雜計算問題方面展現(xiàn)出巨大潛力，但構(gòu)建一臺實用的量子計算機需要數(shù)百萬個可靠且相互連接的量子比特。Imec 的研究重點是硅量子點自旋量子比特，它們通常被稱為“工業(yè)量子比特”，因為它們可以使用與 CMOS 兼容的半導體工藝制造，而 CMOS 工藝已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代芯片制造。這種兼容性最終將使量子硬件能夠受益于數(shù)十年來半導體規(guī)模化基礎(chǔ)設(shè)施和制造技術(shù)的發(fā)展。

新方法的主要優(yōu)勢之一是利用高數(shù)值孔徑極紫外光刻技術(shù)來制造穩(wěn)定量子比特運行所需的極其微小且精確的結(jié)構(gòu)。研究人員成功制造了控制電極間隙小至6納米的功能性量子比特網(wǎng)絡(luò)。減小這些間隙可以提高相鄰量子點之間的耦合強度，同時最大限度地減少可能破壞量子信息穩(wěn)定性的環(huán)境噪聲。研究團隊表示，理論上，這種納米級尺寸可以將數(shù)百萬個量子比特集成到單個芯片上。

除了小型化之外，這項工作還展示了在可重復的300毫米晶圓兼容量子制造方面取得的進展，而不僅僅是孤立的實驗室原型。imec的項目負責人兼量子集成工程師Sofie Beyne表示：“我們可以利用數(shù)十年來半導體領(lǐng)域的創(chuàng)新成果，并重復利用整個硅基器件微縮生態(tài)系統(tǒng)，將量子器件從實驗室實驗推向大規(guī)模、可制造的系統(tǒng)。”

隨著量子計算技術(shù)從實驗室原型研發(fā)邁向工業(yè)化規(guī)模化量產(chǎn)，硅基自旋量子比特憑借與傳統(tǒng)CMOS工藝高度兼容、相干時間長、制造材料穩(wěn)定等優(yōu)勢，成為當前最具備產(chǎn)業(yè)化潛力的量子比特技術(shù)路線。而量子比特的核心性能高度依賴納米尺度的精密物理結(jié)構(gòu)，器件微小的形貌偏差、邊緣粗糙度、尺寸不均勻性都會引發(fā)電荷噪聲、自旋擾動等問題，直接破壞量子相干性，降低比特保真度，這也對光刻制造工藝提出了遠超傳統(tǒng)先進邏輯芯片的嚴苛要求。在此行業(yè)背景下，High NA EUV高數(shù)值孔徑極紫外光刻技術(shù)成為高端量子比特器件制造的必需工藝，也是未來實現(xiàn)大規(guī)模、高一致性、高穩(wěn)定性量子芯片量產(chǎn)的核心技術(shù)支柱。

相較于傳統(tǒng)NA 0.33 EUV、電子束光刻等制備方式，High NA EUV憑借極致的光刻分辨率、優(yōu)異的圖案均勻性、高精度套刻能力以及成熟的晶圓量產(chǎn)體系，精準適配量子比特器件的特殊制造需求。

從器件物理結(jié)構(gòu)層面來看，硅基量子比特的核心組成部分為納米級柵極陣列與量子點約束結(jié)構(gòu)，需要在硅基底上制備排布密集、間隙極小的控制電極，以此精準約束電子自旋、調(diào)控量子點之間的耦合作用。量子比特的耦合強度對電極間隙高度敏感，間隙尺寸微小波動便會造成耦合效率大幅偏差，只有將柵極間隙控制在6nm及以下，才能保障相鄰量子比特實現(xiàn)高效、可控的耦合，為高保真度雙比特邏輯門運算奠定物理基礎(chǔ)。傳統(tǒng)NA 0.33 EUV光刻受限于數(shù)值孔徑，工藝極限分辨率僅能達到8至10納米，無法滿足量子比特極小間隙的制備要求，而High NA EUV將數(shù)值孔徑提升至0.55，可實現(xiàn)5納米以下的極致分辨率，能夠穩(wěn)定制備高精度微納電極結(jié)構(gòu)。

與此同時，該光刻技術(shù)具備亞納米級的邊緣粗糙度控制能力與全局圖案均勻性，能夠最大限度減少器件結(jié)構(gòu)缺陷，從源頭抑制電荷噪聲與自旋噪聲，有效延長量子態(tài)相干時間，解決了量子比特器件噪聲大、穩(wěn)定性差的核心痛點。

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