量子コンピューティングの重要な役割! 

技術記事

量子コンピューティングの重要な役割! 先端コンピューティングにおけるシリコンフォトニクス技術の課題 | 台湾陽明交通大学電子研究所 李佩雯（Li Peiwen） 教授

2023/09/01

シリコンフォトニクスは、光通信技術を半導体集積回路に応用する革新的な技術分野です。シリコンフォトニクスチップの動作原理は、従来の「電気信号」に代わって主に「光信号」を使用するものであり、本質的に、広い帯域幅、高い計算密度、低消費電力、耐干渉性などの優れた特性を備えているため、効率的なコンピューティングを実現する方法として最適なソリューションです。近年、クラウドコンピューティングと人工知能（AI）という2つのアプリケーション市場の急速な成長に伴い、シリコンフォトニクス技術は世界の産学界の注目を集め、画期的な研究進歩を遂げています。

インテルはシリコン フォトニクスの商用利用を実現した最初のメーカーで、2012 年には専門の事業部門を設立し、 2016 年に大規模な出荷を開始しました。2022 年6 月、インテルはシリコン チップ上の 8 波長レーザー アレイの統合と制御に関する高度な研究結果の実証にも成功しました。IBMは、 2012年末に光回路と電子回路を単一チップ上に集積した90nmナノシリコン光集積回路チップを開発。2017 年、有名なシリコン フォトニクス企業であるLuxtera は、大手ファウンドリ メーカーであるTSMCと次世代のシリコン フォトニクス技術を共同開発すると発表しました。さらに、海外メディアの報道によると、オランダ政府は次期ASML創設に備え、新世代のシリコンフォトニクス技術企業の育成を促進するために11億ユーロを投資する予定。Yole Developpement は、シリコン フォトニクス光モジュール市場が2018 年の約4 億 5,500万米ドルから2024 年には約40億米ドルに成長し、年平均成長率は44.5%になると予測しています。

Open AI の統計によると、 2012 年以来、AIアプリケーションの計算能力要件は3～4か月ごとに 2 倍になっています。しかし、現在の半導体チップの開発はムーアの法則の限界に近づき、将来の高性能コンピューティングの要件を満たすことができなくなりました。従来の光モジュールは、コストが高くサイズが大きいため、大規模に適用することも困難です。シリコン フォトニック チップは、低コストを前提としてコンピュータ クラスタ、サーバー、さらにはデータ センター内のチップ間の通信速度と効率を効果的に向上させ、期待に応える強力なコンピューティング パワーを提供します。2022年11月、ASE CEOのWu Tianyu氏はSEMICON TAIWANで4つの主要な将来技術トレンドを発表し、そのうちの1つは「シリコンフォトニクス」と名付けられました。業界の分析と予測によると、シリコンフォトニクスのアプリケーション開発の第一波ではデータセンターが主要な競争市場となり、今後3年間でシリコンフォトニクスチップは世界の高速情報伝送に広く使用されると予想されています。Intel、IBM、Google、Facebook、Cisco、Marvell、Huawei、Mellanoxなどのシリコンフォトニクス市場で技術的リーダーシップを獲得するため、Luxtera、Acacia、Finisar、Avago、その他の有名メーカーはいずれも、将来の「シリコンフォトニクス時代」で重要な役割を果たすことを期待して、近年研究開発投資と生産能力を増強しています。

シリコンフォトニクス技術の開発は多角的に進み、その応用分野も拡大を続けています。シリコン フォトニック チップは、データセンターでの使用に加えて、光学レーダー(LiDAR)、光ファイバー ジャイロスコープ、生物医学センシング、AIシステムなど、複雑な光路を必要とする製品やデバイスでも使用できます。近年普及している量子コンピューティングも、将来的にはシリコンフォトニクスの重要な開発分野の一つとなるでしょう。量子光学におけるシリコンフォトニクス技術の応用は、量子コンピューティングハードウェアの実用的な進歩を促進し、室温で動作するイオントラップ（Ion Trap）量子ビットの「制御」と「読み取り」の技術的ボトルネックを解決すると期待されています。イオントラップ量子ビットチップとシリコンフォトニックチップおよびその周囲のCMOS回路を統合することで、長い光ファイバーや複雑な光学部品、コンポーネントの位置合わせの問題などを解決する必要なく、自由空間における光学部品のジッター、ドリフト、電気ノイズを除去できます。これは、量子ビット数の拡大やイオントラップ量子ビットの読み取り忠実度の向上など、将来の開発に応用できる可能性が高く注目されています。

今号では、MA-tek は量子技術分野の専門家である 李佩雯 教授を特別に招き、「新技術チャンネル│コラボレーションコラム」の記事を執筆していただき、シリコンフォトニクス技術の主要な応用と技術的課題を包括的に紹介しました。量子コンピューティングの分野での研究の進歩と、この重要な問題を読者と共有します。

 MA-tek技術研究開発センター長　陳弘仁　 2023/8/30

量子コンピューティングの重要な役割! 先端コンピューティングにおけるシリコンフォトニクス技術の課題

陽明交通大学（台湾）

李佩雯 （Li Peiwen) 教授

 (この記事は李佩雯  教授提供、MA-tek編集)

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シリコンフォトニクス技術は、20世紀における半導体技術の2つの最も重要な発明であるCMOS集積回路と半導体レーザーを統合しており、将来を見据えた成熟したシリコン量産技術で製造することができ、次のような多様な機能アプリケーションを提供します。 5G無線通信、自動車、医療、さらにはLiDARやジャイロスコープなどのモノのインターネットの複数の機能センサーも含まれます[1]。シリコン集積フォトニクス技術が注目を集めているもう 1 つの理由は、光接続を使用して、チップ内の高度に小型化された金属電気接続に起因する深刻な遅延と消費電力のジレンマを補うことができることです。金属電気接続の特性(長さ/幅)や集積密度の向上などのスケーリング対策は、深刻かつ困難な物理的ボトルネックに直面しています。マルチコアプロセッサの並列計算によりコンピュータシステムの性能が向上しても、エネルギー効率の壁を突破することは困難です[ 2]。

理想的なシリコンフォトニクス光集積回路は、光源、機能センシング素子、光・電気信号変換素子、光導波路などのモジュールを集積したものです。特に、シリコンフォトニックチップとシリコンCMOS集積回路を光電子ハイブリッド集積チップに高度に集積することにより、データ処理速度の大幅な向上、消費電力の削減、チップ面積の縮小、データビットコストの節約、信頼性の向上が期待されています[3]。

シリコンフォトニック集積回路技術は、データセンター、 5G通信などにおいて具体的かつ強力なビジネスチャンスを実証して以来多くのヨーロッパおよびアメリカの企業や研究機関の関心を呼んでいます。IBM、Intel、Cisco、STM、CEA/ Leti、IMEC、AIM Photonics、IME などは、チップ内データ処理の速度と帯域幅を向上し続けるために、シリコンフォトニックチップの研究開発と技術レイアウトをすでに実施しています。Google、Apple、Meta、Amazon、Microsoftなどの企業も、短距離データセンター(850nmレーザーおよびマルチモードファイバー)および長距離データセンター(1310nmレーザーとの光相互接続)を構築するための高効率シリコン光接続技術の開発を積極的に行っています。シングルモードファイバー） 。

シリコンフォトニクス技術は、従来の古典的コンピューティングの計算速度を向上させ、データセンター伝送のパフォーマンスを向上させるだけでなく、量子コンピューティングハードウェア技術の実際の開発を促進することも期待されています。室温で動作できるイオントラップ量子ビットに関する限り、真空チャンバー内にあるイオントラップ量子ビットを遠隔制御するために、光学テーブル上の光またはマイクロ波信号が一般的に使用されます[4]。イオントラップ量子ビットの量子状態情報を読み取る場合、その情報は光学テーブル上の高開口レンズを通して単一光子検出器に集束されます。常温および真空環境において、イオントラップ量子ビットの機能が検証され、実用的な量子コンピューティングへの楽観的な希望がもたらされました。しかし、イオントラップ量子技術は、量子ビットの数を拡大し、実際の量子状態の初期化/操作/検出の忠実度を向上させるという点で、依然として多くの実質的な技術的困難と課題に直面しています[4]。

イオントラップ量子ビットの「制御」と「読み取り」に必要な光学コンポーネント/光電子コンポーネントに関して、技術的なボトルネックを次のように簡単に説明します。

1.イオンの動きのトラップポテンシャルを調整するには高周波と DC 高電圧を使用する必要があるため、注入された電力は必然的にトラップ電極で消費され、イオントラップビットが加熱され、量子状態の忠実度が破壊されます。

2.イオントラップ量子ビットの現在の動作状況は、光学部品と制御・読み取り用の電子回路は常温の光学テーブル上に設置され、イオントラップ量子ビットチップは低温の真空チャンバー内に設置されています。光ファイバーとケーブルの接続は複雑です。機械的振動や熱雑音、周囲の環境の乱れにより、光学コンポーネントの位置合わせの精度は低周波ジッターや温度ドリフトによって妨げられることが多く、量子ビットチップの長期動作の安定性や忠実度が低下します。

3. 単一イオンからのレーザー光を特定の点に集中させるには、大きな高開口数レンズを使用するか、単一光子検出器で特定のイオンしかし、光学テーブル上に配置されたレンズ、レーザー、光検出器は、アライメントや結合ノイズ/時間ドリフトなどによって妨害されるため、制御/読み出しの忠実度は依然として改善する必要があります。

要約すると、現在入手可能な光源、光ファイバー、単一光子検出器などの光学コンポーネントは、ほとんどが自由空間の光学テーブル上に配置されています。ただし、光学コンポーネントと光ファイバー間の複雑な位置合わせや、機械振動や熱雑音などの環境外乱により、多くの追加のノイズ源が生成され、イオントラップ量子ビットの数の拡張と忠実度が大幅に制限されます。したがって、イオントラップ量子ビットチップと統合できるシリコンフォトニックチップ（光導波路、光変調器、光検出器など）および周辺CMOS回路の開発が急務となっている[3]。

理想的には、真空環境では、レーザー光源が光導波路を介してイオン トラップ量子ビットに直接接続され、イオン トラップを直接制御および冷却します。同時に光導波路も単一光子検出器に接続されており、イオントラップ量子ビットの量子状態情報が近くで読み取られ、その後の信号処理のためにCMOS集積回路に直接出力されます。このようにして、自由空間における光コンポーネントのジッター/ドリフトや遍在する電気ノイズを排除できるだけでなく、長すぎる光ファイバーと複雑な光コンポーネントの間の位置合わせの問題も排除できます。量子ビットとイオントラップ量子ビットの読み出し忠実度を「高める」ことは、非常に役立ちます。

シリコンフォトニクスの要素技術の研究開発は30年以上続いており、当初のシリコンフォトニクスの研究開発は主に通信や古典計算などの応用を目的としており、シリコン光接続技術（光導波路、光変調器、光接続技術）が開発されました。光検出器、さらには光源やその他のコンポーネント） 、通信アプリケーション向けの高速、高帯域幅、高応答性または高ワット数の光/電気信号の処理に重点を置いており、イオントラップ量子ビットを制御または読み取るシリコンフォトニックコンポーネントについては、低ノイズ、低暗電流、または非常に低いワット数(光子数が少ない)を処理できなければなりません。また、近紫外光または可視光信号は低温でも安定していなければなりません。以下は、イオントラップ量子ビットを応用するためのシリコンフォトニクスコンポーネントの主要な技術要件と技術的課題の簡単な説明です。

イオントラップ量子ビットの制御に一般的に使用されるレーザー光源の波長範囲は約300 ～ 2000 nmで、近紫外、可視、近赤外のスペクトルをカバーします。残念ながら、シリコンフォトニクス技術で現在一般的に使用されているシリコン光導波路は、紫外光および可視光線帯域での吸光度が高く、光学特性の損失が大きいため、イオントラップ量子ビット技術には適していません。対照的に、窒化ケイ素(Si3N4)光導波路は透明で非吸収性であり、紫外から可視の波長範囲で光損失が低くなります[5,6]。幸いなことに、窒化シリコンはCMOSプロセス技術で一般的に使用される絶縁層、隔壁層、保護層などの材料であり、従来の化学気相成長（CVD）プロセス方法を使用して堆積でき、実際のアプリケーションに応じて微調整することもできます。化学蒸着プロセスの式は、窒化ケイ素の化学組成( SixNyまたはSiOxNy膜など)と屈折率を調整し、窒化ケイ素光導波路のモード数、光閉じ込め、伝送損失の調整に役立ちます。窒化シリコン光導波路はシリコン光導波路ではカバーできない可視光（400～1000nm）帯域を補うことができるため、近年では量子通信・コンピューティングをはじめとする各種実験チップに最適なプラットフォームとなっています[7]。

2020年、チューリッヒ工科大学[8]は、イオントラップチップと窒化ケイ素光導波路を統合したイオントラップ量子論理ゲートが、シングルモードファイバーを使用して729nmの可視光を窒化ケイ素光導波路に注入し、それを真空および低温環境用のイオントラップチップ。この方法により、光学テーブル上の光学的位置合わせ、機械的振動、ビーム点のドリフトの問題が解消され、量子論理ゲートの忠実度が向上します。しかし、シリコン窒化膜上でのゲルマニウムやシリコンゲルマニウムの結晶化核生成休止時間が非常に短いため、今回実証したイオントラップチップは、光変調器や単一光子検出器などのシリコンフォトニックアクティブコンポーネントとまだ統合されていない。シリコン薄膜では、高品質の単結晶ゲルマニウムまたはシリコンゲルマニウム薄膜を成長させるためのエピタキシャル成長法の選択が困難であるため、シリコンフォトニックアクティブコンポーネントを生産し続けることはもはや不可能です。(1)ウェハ接合を使用することもできますが、窒化シリコンプラットフォーム上にSOIを接合した後、光活性層-ゲルマニウムまたはシリコンゲルマニウム膜をエピタキシャル成長させます[13] 、または(2) STM、IHP 、およびトロント大学の例に従うこともできます。 SOIプラットフォーム上にシリコンゲルマニウム変調器とゲルマニウム光検出器を作製し、 PECVD窒化シリコン膜を堆積し、CMPで研磨して上部窒化シリコン光導波路を作製した[9-11]。。しかし、後者が提案する最上層窒化ケイ素光導波路のプロセス方法では、窒化ケイ素の脱水素化や緻密化のための高温アニールプロセスを継続することが困難であり、窒化ケイ素光導波路内部の欠陥数を低減することはできない。これは、底部の光学活性領域、つまりシリコンゲルマニウムの結晶格子とゲルマニウムエピタキシャル膜の緩和につながり、光学活性コンポーネントの性能の低下につながるためです。これまでのところ、窒化シリコン光学プラットフォーム上の単一石集積ゲルマニウム/シリコンゲルマニウム高速光変調器[9]、高速光検出器[10,11]、およびレーザー光源[12]に関する文献報告はほとんどありません。したがって、光学アクティブコンポーネントを製造し、窒化シリコンプラットフォーム上に光学アクティブ/パッシブコンポーネントを統合することは重要な研究テーマです。

量子ビットの量子状態信号は非常に弱く、周囲環境からのノイズ干渉の影響を受けやすいため、少数のイオントラップ量子ビットを迅速かつ正確に読み取って検出するには、単一光子検出器を直接「組み込む」必要があります。光子の収集と検出におけるクロストークを最小限に抑え、大型イオントラップ量子ビットアレイの実現可能性をさらに拡張して測定するには、単一光子検出器とイオントラップ量子チップを窒化ケイ素光導波路で直接接続するのが最善です。一般に、イオントラップ量子ビットによって放出される光子の波長は、ほとんどが300 ～ 500nmです。ただし、最も成熟したシリコン アバランシェ光検出器は850 nm の光を検出できますが、イオン トラップ量子ビットの状態を直接検出することはできません。

米国NISTの研究者は、自家製の内蔵「超伝導」単一光子検出器を使用して、結像レンズやカメラを使用せずにを超える99.9%読み取りほぼ完璧な精度 (ベリリウム イオン (ベリリウム イオン) を読み取りました。)[ 13]しかし、「超伝導」単一光子検出器は絶対零度に近い環境で動作しなければなりません。NIST の報告書によると、検出効率を効果的に高めて暗計数率を下げるために、 CMOS技術と互換性のある近紫外シリコンベースの単一光子検出器が緊急に必要とされています。さらに、結合損失やノイズをさらに低減し、イオントラップ量子ビットの数を拡大するには、窒化シリコン光導波路/回折格子とシリコンベースの単一光子検出器をモノリシックに集積する必要があります。

イオントラップ量子チップと一体化できる単一光子検出器に加えて、窒化ケイ素光導波路と結合した可視光源は、イオントラップ量子チップを制御するための重要なコンポーネントだが、光源をチップ上で実現することは困難。シリコン基板は常にシリコンフォトニクス技術の革新であり、最大のです。シリコン自体は間接バンドギャップ材料であり、発光効率が非常に低いため、窒化シリコン光導波路と統合できる可視光源は言うまでもありません。科学者や技術者は長い間、エピタキシー技術やチップボンディング技術を利用して、シリコンウェーハ上にインジウムリンやゲルマニウムなどの薄膜を成長させようとしてきましたが、格子定数の整合性やなどの制限により、高結晶性のものを生成することはできませんでした。

文献には、量子井戸、量子細線、さらには量子ドットなどのゲルマニウムナノ構造を使用すると、特に量子閉じ込め効果により、シリコンウェーハ上に単結晶ゲルマニウム膜を成長させる際の欠陥問題を効果的に軽減できることが報告されています。小さなゲルマニウム量子ドット内部では、電子と正孔の波動関数の強い重なり合う結合により、ゲルマニウム量子ドットの光学遷移振動強度が大幅に強化され、ゲルマニウムバルク材料はエネルギー-運動量（Ek）保存を厳密に遵守しなければならないという、さらに、単一材料のゲルマニウム量子ドットの直径を調整することにより、発光エネルギーギャップを調整して異なる波長の光を放射することもでき、異なる波長の光源を生成するには異なるバルク材料を使用しなければならないという制限を打ち破ることができます。ただし、単一の量子ドットの発光体積は小さいため、共振空洞内に配置する必要があります。レーザー光が量子ドット/共鳴空洞に照射されると、量子ドット内の光励起光子の数がパーセル効果によって急速に増加し、それによって全体の発光品質係数が向上します。一般的に使用される量子ドット共振空洞構造には、フォトニック結晶、マイクロディスク、マイクロリングなどがあります。その中でも、フォトニック結晶内に配置されたゲルマニウム量子ドットは、非常に高い発光効率と品質係数を生み出すことが[14]、テンプレートの厚さ、穴の直径、周期、欠陥モードまたはモードなどのフォトニック結晶キャビティの構造設計は、サブミクロンレベルの穴（直径または周期）を持つフォトニック結晶アレイを露光するには、高度な電子ビームリソグラフィーシステムを使用する必要があります。さらに、量子ドットフォトニック結晶レーザーは通常、表面光を放射するため、オンチップの平面集積には適していません。

比較すると、ミクロンレベルのマイクロディスクやマイクロリング共振空洞の設計と製造は比較的容易であり、放射された面内（In-Plane）光は隣接するバス導波路と結合できるため、オンチップ集積化に有利です。マイクロディスク共振空洞は、主にディスク状の光学的に高密度な媒体内にライトフィールドを閉じ込めます。マイクロリング共振空洞の端では、ディスクの半径方向に沿って共振が達成、その結果、 高度な電子ビームリソグラフィー技術の使用を必要とするフォトニック結晶共振空洞の複雑な構造設計と比較して、マイクロディスク共振空洞構造は、電極と導波路の設計と製造においてより柔軟性があり、コスト面での利点があります。

近年、ヨーロッパとアメリカの研究機関は、光励起マイクロレーザーを実証するために、浮遊シリコン、ゲルマニウム、二酸化シリコン、または窒化シリコンのマイクロディスク共振空洞にさまざまな量子ドット（シリコン、ゲルマニウム、CdSeなど）を埋め込んだことを相次いで報告しています（マイクロレーザー）。フランスのCNRS 大学は一連の論文を発表しました[15] . ガリウムヒ素基板上に、厚さ300 nmのn+ -ゲルマニウムが最初にエピタキシャル成長され、次にフォトリソグラフィーでエッチングされてゲルマニウム マイクロディスクが作成され、次に窒化シリコンが作成されました。ゲルマニウムマイクロディスクは、光励起ゲルマニウムマイクロレーザーを実証する伸縮変形n+-Ge活性発光層を形成するためにコーティングされる。ただし、ガリウムヒ素上のゲルマニウム(Ge-on-GaAs)を使用するアプローチは、シリコン プラットフォームに移行するのが困難です。首都大学東京は、隣接する導波路と結合して光を電気的に刺激できるPINゲルマニウム量子ドットマイクロディスクダイオードを提案[16] 。ただし、量子ドット マイクロディスクの大部分はSOIプラットフォームで製造されており、可視光源には適していません。イオントラップ量子チップとのスムーズな統合のために、量子ドット/窒化ケイ素マイクロディスク可視光源を開発することが急務となっています。

教授の実験チームは、 2022年のIEDM国際会議で、集積窒化ケイ素導波路（回折格子カプラや導波路コーンを含む） 、ゲルマニウム量子ドットマイクロディスク光源、光子検出器などのコンポーネントを使用できることを報告。図1 に示すように、CMOSプロセスと互換性のあるゲルマニウム量子ドットの製造方法が開発され、選択酸化の単一ステップで、窒化シリコン膜上に位置するリソグラフィーで多結晶シリコンゲルマニウムピラーを、窒化シリコンで埋め込まれたゲルマニウム球状量子ドットに変換。最も重要な特徴は、図 2 に示すように、 900 ℃での熱酸化によって製造されるため、高温での熱安定性が高いという利点があります。この固有の熱安定性の利点により、ゲルマニウム量子ドット光検出器および発光体を上部または下部の窒化シリコン導波路にエバネッセント波結合させる可能性が開かれます。

部品の製造と集積の観点から、上部導波路結合構造は部品（受光器と発光器）の設計と三次元集積材料の選択に柔軟性を持ち、上部導波路結合構造は「導波路」と「基板」の必要性を排除することができます。 「同じ材料要件でなければなりません。この自己組織化窒化ケイ素埋め込みゲルマニウム量子ドットアレイ構造法は、窒化ケイ素マイクロディスク発光体、PIN光検出器、上部または下部窒化ケイ素導波路を統合する柔軟性を提供し、3次元PIC統合を実現します。李教授の実験チームが開発したゲルマニウム量子ドット製造技術はCMOSプロセス技術を直接利用しており、コンポーネント設計において優れたプロセス制御と工学的利点を持ち、量子ビット、単電子トランジスタ、光電結晶などを直接製造できる。量子コンピューティングや光接続などの技術開発に貢献します。

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