כך הופכת imec את המחשוב הקוונטי מניסוי מעבדה למוצר תעשייתי
לא חסרות הוכחות לכך שקיוביטים עובדים. האתגר שמגדיר כיום את תחום המחשוב הקוונטי נמצא במקום אחר לגמרי: ביכולת להפוך אותם למערכת הנדסית שלמה, אמינה וברת ייצור.
בדיוק בנקודת המפגש הזו פועל המחקר של imec, שמנסה לגשר בין עולמות. בין ניסויים מדעיים מדויקים לבין תהליכי ייצור המוניים על פרוסות סיליקון בקוטר 300 מ"מ. התוצאה היא תמונה מורכבת של תחום שנמצא בתהליך מעבר. מהבטחה טכנולוגית למערכת מחשוב עתידית.
שני האתגרים שמעצבים את התחום
בבסיס המאמץ לפיתוח מחשבים קוונטיים שימושיים עומדים שני צירים משלימים: שיפור איכות הקיוביטים והגדלת מספרם. שני היעדים הללו קשורים זה בזה באופן הדוק. התקדמות באחד ללא השני אינה מספקת.
קיוביטים "טובים" יותר נמדדים לפי זמן קוהרנטיות ולפי דיוק הפעולות עליהם, כלומר fidelity. זמן הקוהרנטיות מכתיב כמה זמן ניתן לשמור מידע קוונטי לפני שהוא מתפרק עקב אינטראקציה עם הסביבה. fidelity, לעומת זאת, מגדיר עד כמה הפעולות הקוונטיות מבוצעות ללא שגיאות.
כאן נכנס מושג מפתח בעולם הקוונטי: תיקון שגיאות. בניגוד למחשוב קלאסי, שבו ניתן לתקן שגיאות יחסית בקלות, במחשוב קוונטי נדרש מנגנון מורכב בהרבה. מנגנונים אלו פועלים רק כאשר שיעור השגיאות ההתחלתי נמוך מספיק. סביב רמת דיוק של כ-99 אחוז נמצא הסף התחתון שבו ניתן להתחיל להפעיל תיקון שגיאות. אך בפועל, כדי לבנות מערכת שימושית באמת, נדרשות רמות של 99.9 אחוז ואף יותר, אחרת רוב המשאבים של המערכת מוקדשים רק לתיקון שגיאות במקום לחישוב עצמו.
במקביל, הדרישה ליותר קיוביטים נובעת מהאלגוריתמים עצמם. יישומים כמו סימולציה של חומרים, גילוי תרופות או אופטימיזציה מורכבת דורשים מערכות בקנה מידה של מיליוני קיוביטים פיזיים. אלו אינם קיוביטים לוגיים בלבד, אלא מערכים גדולים של קיוביטים פיזיים המחוברים זה לזה ופועלים בתיאום.
המשמעות היא שהאתגר האמיתי אינו רק לייצר קיוביט איכותי, אלא לייצר מערכת שלמה שבה אלפי ואף מיליוני קיוביטים פועלים יחד באופן יציב.
למה דווקא סיליקון ?
מבין הגישות השונות למימוש מחשוב קוונטי, קיוביטים מבוססי סיליקון מציעים יתרון ייחודי: התאמה כמעט טבעית לעולם השבבים הקלאסי.
בגישה זו, אלקטרון בודד נלכד בתוך מבנה ננומטרי המכונה quantum dot, והספין שלו משמש כנשא המידע הקוונטי. מעבר לכך שמדובר במערכת שנחקרה היטב, היתרון המרכזי טמון בתשתית הייצור.
טכנולוגיית CMOS, שעליה מבוססת כל תעשיית האלקטרוניקה המודרנית, מאפשרת ייצור בפרוסות סיליקון בקוטר 300 מ"מ עם רמת אחידות גבוהה מאוד, תפוקה יציבה ויכולת שכפול מדויקת. אלו אינם רק יתרונות הנדסיים, אלא תנאים הכרחיים לייצור מערכות מורכבות בקנה מידה גדול.
בנוסף, מבני MOS quantum dot דומים במבנם לטרנזיסטורים קלאסיים, מה שמאפשר למנף עשרות שנים של ידע הנדסי. גודלם הקטן, בסדר גודל של כ-100 ננומטר, מאפשר לדחוס מספר גדול של קיוביטים על גבי שבב אחד.
איור 1: הדמיה של התקן דו־קיוביטי על פרוסת 300 מ"מ, מהפרוסה המלאה ועד התקן בודד. קרדיט: IMEC
איור 2: תמונות TEM ו- SEM לאחר ליתוגרפיית EUV, המדגימות את דיוק הייצור במבני הקיוביטים. קרדיט: IMEC
רעש מטען והאתגר התעשייתי
אחד הגורמים המרכזיים שמגבילים את ביצועי הקיוביטים הוא רעש מטען. מדובר בהפרעות זעירות הנובעות מממשק החומרים ומהסביבה המקומית של הקיוביט, אשר פוגעות ביציבות ובדיוק הפעולות.
במערכות אקדמיות ניתן להגיע לרמות רעש נמוכות מאוד באמצעות תהליכים עדינים, אך אלו אינם סקיילביליים. תהליכי ייצור תעשייתיים, כמו חריטה פלזמטית, עלולים לפגוע באיכות הממשק ולהגביר את הרעש.
העבודה של imec מתמקדת בדיוק בנקודה הזו. כיצד לייצר קיוביטים איכותיים בתוך תהליך ייצור תעשייתי.
במחקר שפורסם בשנת 2024 ב-npj Quantum Information, הודגמו רמות רעש של כ-0.6µeV/√Hz בתדר של 1Hz, רמה המאפשרת יציבות גבוהה במיוחד לקיוביטים המיוצרים בפס ייצור תעשייתי. התוצאות הושגו באופן עקבי, מה שמעיד על יציבות תהליך ולא רק על הישג נקודתי.
שליטה מדויקת: מעבר מסף תיאורטי ליישום מעשי
בשיתוף פעולה עם Diraq, פורסם בשנת 2025 מחקר ב-Nature שהדגים שליטה מדויקת בקיוביטים שיוצרו בתהליך תעשייתי.
הנתונים משמעותיים:
מעל 99.9 אחוז fidelity בפעולות הכנה ומדידה
מעל 99 אחוז בפעולות שער
תוצאות אלו מציבות את הטכנולוגיה מעל הסף התחתון לתיקון שגיאות, ומתקרבות לרמות הנדרשות למערכות שימושיות באמת. חשוב לא פחות, הן מצביעות על יכולת שכבר הודגמה בפועל בפלטפורמה תעשייתית, ולא רק בתנאי מעבדה מבוקרים, ובכך מהוות אבן דרך במעבר ממחקר בסיסי ליישום הנדסי.
EUV : כשהקוונטי פוגש את תעשיית השבבים
אחד המרכיבים הדרמטיים ביותר בעבודה הוא השימוש בליתוגרפיית EUV.
מדובר בטכנולוגיה המתקדמת ביותר כיום לייצור שבבים, המיושמת באמצעות מערכות של ASML. מערכות אלו עולות מאות מיליוני דולרים ומשמשות לייצור המעבדים המתקדמים בעולם.
המעבר ל-EUV מאפשר לראשונה לייצר מבני קיוביטים על פרוסות מלאות בקנה מידה תעשייתי, עם רמת דיוק ואחידות גבוהה. במחקר שהוצג בכנס IEDM 2025 הודגמה תפוקה של כ-90 אחוז, יחד עם דיוק יישור של פחות מ-2.5 ננומטר.
מעבר לכך, EUV מאפשרת לייצר מבנים מורכבים דו כיווניים, דבר שלא היה אפשרי בתהליכים קודמים.
איור 3: המחשת ארכיטקטורת Trilinear והעברת קיוביטים (shuttling) לצורך קישוריות מתקדמת. קרדיט: IMEC
צוואר הבקבוק: בעיית הצפיפות והחיווט
ככל שמספר הקיוביטים גדל, מתגלה בעיה חדשה. לא כיצד לייצר אותם, אלא כיצד לחבר אותם.
כל קיוביט דורש קווי שליטה וקריאה. כאשר מספר הקיוביטים עולה, החיווט הופך צפוף יותר ויותר. תופעה זו, המכונה crowding, מגבילה את היכולת להגדיל את המערכת.
בניגוד למעגלים קלאסיים, כאן לא ניתן פשוט להוסיף שכבות חיווט ללא השלכות. כל תוספת כזו עלולה להכניס רעש ולפגוע בביצועים.
הארכיטקטורה החדשה: לחשוב מחדש על החיבור
כדי להתמודד עם מגבלות אלו, imec מציעה מעבר מארכיטקטורות מסורתיות למבנים חדשים.
השלב הראשון הוא מעבר ל-single-layer gate, שבו שערי השליטה מיוצרים בשכבה אחת. אך הפתרון המעניין יותר מגיע בשלב הבא.
:Trilinear כבישים מהירים למידע קוונטי
ארכיטקטורת trilinear מוסיפה שורה שלישית בין שתי שורות הקיוביטים. שורה זו אינה משמשת לקיוביטים פעילים, אלא כערוץ תנועה.
במקום לנסות לדחוף את כל חוטי השליטה לאותה נקודה, המערכת מאפשרת להזיז קיוביטים בתוך השבב. ניתן להעביר קיוביט לשורה האמצעית, להזיז אותו לאורך המערך, לבצע אינטראקציה עם קיוביט אחר, ולהחזיר אותו.
התוצאה היא קישוריות גבוהה בהרבה עם דרישות חיווט נמוכות יותר. למעשה, ניתן להסתפק בשתי שכבות מתכת בלבד.
מעבר לכך, הארכיטקטורה מציעה יתרון חשוב נוסף: מודולריות. ניתן לשכפל את המבנה שוב ושוב לאורך השבב, ולהגדיל את מספר הקיוביטים מבלי להוסיף מורכבות חיווט חדשה בכל שלב.
גישה זו פותרת את בעיית הצפיפות בצורה אלגנטית. במקום להילחם בצפיפות, היא עוקפת אותה.
מבט קדימה
העבודה של imec אינה מציגה פתרון סופי, אלא מסמנת כיוון ברור להתקדמות התחום.
המחשוב הקוונטי עובר משלב של שליטה בקיוביט בודד לשלב של הנדסת מערכות מורכבות. השילוב בין חומרים, תהליכי ייצור וארכיטקטורה הופך להיות גורם מרכזי.
השלבים הבאים כוללים שיפור נוסף של fidelity, שימוש בחומרים נקיים יותר איזוטופית והרחבת הארכיטקטורות.
סיכום
אם המאה ה-20 הוגדרה על ידי היכולת לשלוט בזרם של אלקטרונים, הרי שהמאה ה-21 עשויה להיות מוגדרת על ידי היכולת לשלוט בספין הבודד שלהם.
imec מראה שהתשתית לכך כבר אינה מוגבלת למעבדות מחקר. היא מתחילה להופיע במפעלי ייצור מתקדמים. אותם מפעלים שמייצרים את המעבדים של היום, עשויים להיות הבסיס למחשבים הקוונטיים של מחר.
תמונת שער: מבני קיוביטים מבוססי סיליקון (Si MOS quantum dots) על פרוסת 300 מ"מ,
בתהליך ייצור תעשייתי. קרדיט: IMEC
קרדיט ומקורות
הכתבה מבוססת על מאמר של imec ועל המחקרים הבאים:
npj Quantum Information, 2024
Nature, 2025
מחקרי imec שהוצגו בכנס IEDM 2025
