Il Cambio Di Gas Di Cornell Apre I Qubit Alla Fonderia

La Soluzione: Fuori L'Argon, Dentro Il Kripton

I ricercatori del Fatemi Lab della Cornell University hanno scoperto che sostituire il gas di sputtering usato per depositare film di tantalio, passando dall'argon al kripton, permette di raggiungere la stessa struttura cristallina a circa metà della temperatura. Lo studio, guidato dal ricercatore postdoc Maciej Olszewski sotto la direzione del responsabile scientifico Valla Fatemi, è stato pubblicato su Nature Materials nell'agosto 2026 ed è disponibile anche come preprint su arXiv.

Il tantalio è diventato uno dei materiali più interessanti per i qubit superconduttori perché perde pochissima energia per resistenza alle microonde, il che si traduce direttamente in qubit che mantengono più a lungo il proprio stato quantistico. Il problema è sempre stato come costruirlo. Portare il tantalio nella struttura cristallina cubica a corpo centrato, stabile e nota come fase alfa, che gli conferisce quelle proprietà, richiedeva finora uno sputtering a magnetron a temperature del substrato superiori a 400 gradi Celsius. Le linee di fabbricazione di una fonderia di semiconduttori standard limitano le temperature di processo a circa 200-250 gradi Celsius, per non danneggiare i transistor, i collegamenti e le altre strutture già presenti sul chip. I qubit di tantalio, in altre parole, richiedevano un forno capace di distruggere il resto del chip che li circondava.

Un Problema Di Fabbricazione Nascosto Dentro Una Storia Di Fisica

Gran parte della copertura pubblica sui progressi del calcolo quantistico tratta il collo di bottiglia come un problema di fisica: più qubit, tassi di errore più bassi, tempi di coerenza più lunghi. Il risultato di Cornell indica un vincolo completamente diverso, che si colloca tra una dimostrazione fisica funzionante e un prodotto fabbricabile.

Un materiale può avere proprietà fisiche eccellenti e restare comunque privo di valore commerciale se costruirlo danneggia tutto il resto del chip. Questo è esattamente ciò che fa una temperatura di processo di 400 gradi Celsius dentro una moderna fonderia di semiconduttori: supera il budget termico dei transistor, delle interconnessioni e dei circuiti di controllo di cui un chip a qubit ha bisogno intorno a sé per funzionare come dispositivo e non come semplice curiosità da laboratorio. Cambiare il gas di processo dall'argon al kripton non modifica la fisica del tantalio. Modifica il modo in cui la stessa struttura cristallina di fase alfa si forma sulla superficie, permettendole di stabilizzarsi a una temperatura più bassa. Una soluzione di ingegneria dei materiali di questo tipo raramente fa notizia, perché non annuncia un nuovo record. Elimina un muro che si frapponeva tra un risultato di laboratorio e una linea di fabbricazione, il che è un'informazione più utile se la domanda è quando l'hardware quantistico diventerà qualcosa che un'azienda può davvero ordinare e ricevere.

Prima E Dopo, In Numeri

Il confronto diventa chiaro non appena si mettono i due processi fianco a fianco. I film cresciuti a 250 e 350 gradi Celsius con il processo al kripton hanno mostrato una distribuzione di prestazioni ristretta e allo stato dell'arte, mentre i film cresciuti a temperature più alte hanno mostrato più perdite, correlate a una mescolanza indesiderata tra il tantalio e il substrato di silicio sottostante.

I qubit transmon costruiti con i film sputterati al kripton, con un gap del condensatore compatto di 20 micrometri, hanno raggiunto fattori di qualità interni fino a 16,9 milioni, con una mediana di 14 milioni nelle temperature di crescita più performanti. Il fattore di qualità misura quante oscillazioni sopravvive il segnale a microonde di un qubit prima di perdere la propria informazione quantistica, quindi un numero più alto significa un qubit più duraturo e più utilizzabile.

Chi Ha Fatto Il Lavoro, E Chi L'Ha Pagato

Lo studio, firmato da dodici autori, è stato guidato da Maciej Olszewski, ricercatore postdoc, sotto la direzione di Valla Fatemi, professore assistente alla School of Applied and Engineering Physics di Cornell e Aref and Manon Lahham Faculty Fellow. Tra i coautori figurano lo scienziato dei materiali di Cornell David Muller insieme a Lingda Kong, Simon Reinhardt, Daniel Tong, Xinyi Du, Gabriele Di Gianluca, Haoran Lu, Saswata Roy, Luojia Zhang e Aleksandra Biedron.

I finanziamenti sono arrivati dal Microelectronics Commons Program del Dipartimento della Guerra statunitense, dall'Air Force Office of Scientific Research e dalla Cornell NanoScale Science and Technology Facility, che riceve sostegno dalla National Science Foundation. Fatemi ha descritto il cambiamento come volutamente poco appariscente: "Abbiamo trovato un cambiamento relativamente semplice per portare quella temperatura in una zona traducibile nei sistemi di nanofabbricazione dell'industria."

Il Segnale Che Gli Operatori Di UE E Regno Unito Dovrebbero Seguire

I tempi del calcolo quantistico vengono di solito discussi tramite dimostrazioni del numero di qubit o traguardi di correzione degli errori, entrambi risultati di fisica che possono avvenire interamente dentro un laboratorio di ricerca. Risultati di compatibilità di fabbricazione come questo misurano qualcosa di diverso: se un dispositivo può davvero essere costruito in volume con le attrezzature che una vera fonderia di semiconduttori già possiede.

Questa distinzione conta direttamente per la strategia sui semiconduttori di UE e Regno Unito nell'ambito del Chips Act, costruita attorno all'ampliamento della capacità di fabbricazione interna e non al finanziamento di ulteriori articoli di fisica. Un materiale per qubit che richiede un processo a 400 gradi non è un candidato per un'integrazione a breve termine in nessuna linea di fabbricazione europea esistente, per quanto buona possa sembrare la sua fisica sulla carta. Un materiale per qubit che rientra in un budget termico di 200 gradi lo è. Per un operatore o un investitore che cerca di capire quando l'hardware quantistico passerà da una dimostrazione da laboratorio a qualcosa di ordinabile, il traguardo da seguire è questo tipo di risultato di compatibilità di processo, non il prossimo comunicato stampa sul numero di qubit.

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