Dünyadaki bilim insanları ve mühendisler, kuantum bilgisayarının minik yapı taşları olan kuantum bitlerini veya qubitleri geliştirmek için çalışıyorlar. Qubitler son derece hassas olduklarından, hataların kolayca ortaya çıkmasına neden olabiliyor ve bu da cihaz verimini düşürüyor. Ancak MIT.nano'daki yeni bir küme aracı, araştırmacıların qubit performansındaki ilerlemeleri sürdürmelerine olanak tanıyacak yetenekler sunuyor.
MIT.nano'nın dışındaki geçiş yapanlar, son zamanlarda birinci kattaki temiz odada karmaşık görünümlü bir ekipmanın kurulduğunu fark etmiş olabilirler. Bir bilim kurgu filmi aksesuarına benzeyen bu şey, aslında son teknoloji, özel yapım moleküler ışın epitaksisi (MBE) sistemidir: yüksek kaliteli ince filmler üretmek için ultra yüksek vakum altında çalışan bir fiziksel buhar biriktirme sistemidir. Farklı kristal malzemeleri bir wafer üzerinde büyütme yeteneği ile bu araç, kuantum araştırmacılarına ve malzeme bilimcilerine, film büyümesinin qubit yapımında kullanılan malzemelerin özelliklerini nasıl etkilediğini inceleme imkanı sunacak.
“Kuantum bilgisayarının tam potansiyelini gerçekleştirmek için, sağlam, tekrarlanabilir ve genişletilebilir qubitler inşa etmemiz gerekiyor,” diyor MIT Elektrik Mühendisliği ve Bilgisayar Bilimleri Bölümü'nde Henry Ellis Warren (1894) Profesörü ve fizik profesörü William D. Oliver. “Bugüne kadar, süper iletken qubit performansındaki iyileştirmelerin çoğu devre tasarımına dayanıyor — esasen, qubit devrelerini çevresel gürültüye daha az duyarlı olacak şekilde tasarlamak. Ancak bu iyileştirmeler büyük ölçüde sona erdi. İleride, çevresel gürültü kaynaklarını azaltmak için gereken temel malzeme bilimi ve üretim mühendisliğini ele almamız gerekiyor. Bu çok odalı, kaset yüklemeli, 200 milimetrelik wafer MBE sistemi tam da doğru zamanda doğru araç. Ve bu araştırmayı yapmak için MIT.nano'dan daha iyi bir yer yok.”
Çünkü MIT.nano, fiziksel alan, iklim kontrolü, araştırmacılar için politikalar ve prosedürler ile laboratuvarı yönetmek için uzman personel ile bu tür bir sistemi almak için ön koşullara sahiptir. Ekipman destek planı aracılığıyla, Oliver’ın Mühendislik Kuantum Sistemleri (EQuS) grubu, MIT.nano içinde aracı kurup çalıştırma imkanı buluyor; yüksek performanslı, güvenli ve güvenilir bir ortamda.
Kontrollü bir ortam, MBE için esastır. “Bu sistemi ters çevrilmiş bir Uluslararası Uzay İstasyonu (ISS) gibi düşünün,” diyor EQuS grubunda araştırmacı olan Patrick Strohbeen. “ISS, uzay vakumu ile çevrili küçük bir atmosfer odasıdır. Bu MBE sistemi ise atmosferle çevrili uzay seviyesinde bir vakum odasıdır.” O uzay vakumu, ince filmlerin atomik ölçekte hassas bir şekilde büyümesini sağlayan sabit bir negatif 90 derece Santigrat'ta tutulur. Üretici DCA'nın Amerika Birleşik Devletleri'nde sattığı en büyük tek biriktirme odasıdır (1 metre çapında).
Bir wafer'ın yolculuğu
Toplamda 600 metrekare alan kaplayan sistem altı odadan oluşmaktadır. İlk olarak, wafer'ın sisteme yerleştirildiği ve atmosfer basıncından uzay vakum seviyesine yakın bir seviyeye indirildiği yükleme kilidi vardır. Ardından, wafer dağıtım merkezine girer. Bu alan, wafer'ları diğer odalara aktaran merkezi bir hub gibi işlev görür. Sonraki bölüm, biriktirme veya “büyüme” odasıdır. Bu, sistemin ana işlevinin gerçekleştiği yerdir — malzemelerin, özellikle süper iletken metal atomlarının bir alt tabaka, genellikle silisyum üzerine biriktirilmesi. Oradan, qubitler için ana seramik malzemelerin büyümesini kolaylaştıran oksidasyon odasına geçer. Beşinci depolama odası, vakum içinde ek 10 wafer tutabilir.
Bu sistemin benzersiz bir yönü, X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS) için tasarlanmış altıncı odasıdır. Bu odayı kullanarak, araştırmacılar yüzeye X-ışınları şeklinde bir foton gönderirler ve bu foton yüzeye çarptığında, malzeme içindeki elektronu uyarır, böylece elektron dışarı fırlar ve bir sensör tarafından yakalanır; bu sensör daha sonra araştırmacıya elektronun geldiği ortam hakkında bilgi verir. Büyüme odasında atomların bireysel katmanları yerleştirildiğinde, bilim insanları wafer'ı XPS odasına taşıyarak filmdeki malzeme yapısındaki değişiklikleri ölçebilir ve tekrar geri getirebilirler; tüm bunları vakum alanında tutarak yaparlar.
Bunun önemi nedir? “K
