L’evoluzione dell’elettronica criogenica può migliorare il calcolo quantistico e non solo
L’elettronica criogenica è essenziale per diverse applicazioni scientifiche e tecnologiche, soprattutto nell’ambito del calcolo quantistico. Con l’aumento delle dimensioni e della complessità dei computer quantistici, la gestione di queste condizioni criogeniche diventa impegnativa. Ogni qubit richiede una propria serie di linee di controllo e di lettura, che possono generare calore e causare interferenze. Ciò fa sì che i qubit escano dal loro stato quantistico, a scapito della precisione delle operazioni quantistiche. Per ovviare a ciò, parte dell’elettronica di controllo e di lettura deve essere collocata all’interno di un criostato, un contenitore che mantiene le temperature estremamente basse. In questo modo si riduce la necessità di cavi conduttori di calore, ma il potere di raffreddamento del criostato è limitato, in quanto può rimuovere solo una certa quantità di calore. Servono quindi soluzioni più efficienti dal punto di vista energetico. Il progetto di ricerca SEQUENCE, finanziato dall’UE, ha sviluppato transistor criogenici e modelli di transistor dedicati che riducono significativamente i margini di progettazione per il funzionamento dei circuiti criogenici.
Una nuova generazione di elettronica criogenica
SEQUENCE ha compiuto progressi significativi nella comprensione e nella modellizzazione del comportamento dei transistor in condizioni criogeniche. I modelli avanzati di transistor, che ne descrivono accuratamente la fisica del funzionamento in condizioni criogeniche, sono stati fondamentali per ridurre il consumo di energia nei circuiti chiave. «Tra questi, gli amplificatori a basso rumore e i loro array implementati nella tecnologia dei transistor III-V ad alta mobilità di elettroni», spiega Lars-Erik Wernersson, coordinatore del progetto SEQUENCE. Tali conoscenze hanno inoltre aiutato il team a caratterizzare in dettaglio i transistor utilizzando la tecnologia FDSOI (fully depleted silicon-on-insulator) a 28 nm. Questi transistor sono stati utilizzati in convertitori digitale-analogico a 18 bit ad alte prestazioni. Il team ha anche progettato nuovi dispositivi nanoelettronici per migliorare la trasmissione e la direzione del segnale nei dispositivi ad alta frequenza che operano a temperature estremamente basse. In particolare, hanno utilizzato nanofili realizzati con semiconduttori III-V per instradare segnali a radiofrequenza a temperature criogeniche. La loro implementazione ha ridotto il numero di contatti ohmici necessari, con conseguente minore perdita di segnale.
L’integrazione 3D avvicina l’elettronica ai qubit
Il consorzio ha incluso l’integrazione 3D nel progetto, prevedendo che sarebbe stata una via interessante per l’ampliamento dei sistemi quantistici. «I principali vantaggi di questa tecnologia sono stati la vicinanza tra lo stato quantico e l’elettronica di controllo e lettura e la semplificazione del percorso dei segnali», afferma Wernersson. Tale vicinanza permette all’elettronica di interagire direttamente con i qubit, controllando i loro stati e leggendo le loro risposte. Il team ha sviluppato la sua prima generazione di circuiti utilizzando la tecnologia dei nanofili III-V verticali. Ciò ha permesso un’efficiente integrazione dei transistor III-V sui substrati di silicio, risparmiando materiale raro e consentendo l’uso di wafer più grandi, ovvero strati sottili di semiconduttore. All’interno dei nanofili, uno speciale tipo di eterostruttura ha facilitato il funzionamento subtermico del transistor al di sotto della tensione soglia, contribuendo così all’efficienza energetica del circuito. Esplorando diverse opzioni di integrazione 3D, il team ha anche sviluppato la dimostrazione di un circuito di polarizzazione dinamica di tensione programmabile a 64 uscite, un risultato che offre flessibilità nel controllo del circuito, oltre a un elevato livello di complessità e programmabilità.
Oltre il calcolo quantistico
«La tecnologia sviluppata nell’ambito del progetto SEQUENCE non sarà utile solo per lo sviluppo delle tecnologie quantistiche. Le aziende produttrici di semiconduttori hanno mostrato interesse, poiché il progetto ha approfondito la comprensione del funzionamento dei transistor e ha perfezionato i modelli di transistor che descrivono il comportamento criogenico», afferma Wernersson. Secondo lui, la tecnologia dei circuiti dimostrata può essere applicata anche nella tecnologia spaziale, dove le temperature variano tra i 40 e i 70 K. SEQUENCE ha esplorato modelli di funzionamento dei circuiti che combinano elementi di entrambi gli estremi - temperatura ambiente e temperature criogeniche - ampliando così le potenziali applicazioni della tecnologia. Sono stati inoltre riscontrati diversi attributi nell’elettronica criogenica per il calcolo quantistico che possono essere utili per le tecnologie di comunicazione e radar.
Parole chiave
SEQUENCE, elettronica criogenica, transistor, semiconduttore, calcolo quantistico, sistemi di comunicazione
