量子比特器件、用于制造量子比特器件的方法、以及用于该方法的接触层与流程

文档序号:40461799发布日期:2024-12-27 09:27阅读:8来源:国知局
量子比特器件、用于制造量子比特器件的方法、以及用于该方法的接触层与流程

本公开涉及一种采用高tc超导体(诸如,d波超导体)的量子比特器件,且特别地涉及一种类似于传输子(transmon)类型的量子比特器件。


背景技术:

1、现代微电子行业正经历快速增长,其趋势是广泛使用为量子计算提供基础的量子比特。量子计算在过去几年中备受注目,部分原因是它有望实现超快的因式分解并具有高效模拟量子动力学的潜力。基于用以实施量子比特的不同物理系统,量子计算机存在许多不同的架构。这些包括原子阱和离子阱量子计算、超导电荷和通量量子比特、核磁共振、基于自旋和电荷的量子点、核自旋量子计算和光量子计算。所有这些系统在量子信息处理方面都有它们各自的优点。然而,即使现在可能有一些领先者(诸如,离子阱和超导量子计算),此时也似乎没有一种物理实施方式比其他实施方式具有明显的优势。

2、常规的超导量子比特器件包括低温超导体材料(诸如,al或nb)之间的约瑟夫森结。量子比特器件可以灵活地设计成与必要的参数相匹配。其宏观尺寸允许强耦接,从而实现快速门和测量。传输子超导量子比特是量子技术的最常见的硬件实施方式,并且它被用于常规的超导量子处理器(诸如,由谷歌或ibm开发的处理器)中。传输子的主要弱点是其耦接到电容器中的电场,从而导致相干时间缩短且在量子比特之间产生串扰,并因此导致计算中产生误差。

3、此类常规的基于超导体的量子比特(包括低温超导体材料之间的约瑟夫森结)的相干时间接近一毫秒。然而,尽管其质量高,但是基于低温超导体的量子比特具有内在的局限性。例如,由于低温超导体固有的超导性质(诸如,其小的超导间隙及其极低的临界温度(约1k)),那些量子比特受到磁场的强烈影响。

4、使用高温超导体的超导量子比特具有克服那些局限性中的一些的潜力。然而,使用高温超导体约瑟夫森结的量子比特的实际物理实施方式在技术上具有挑战性,因为对于那些材料而言,与低温超导体(诸如,al或铌nb)不同,光刻结构化或沉积技术迄今为止不可用。当用于制造常规量子比特器件的光刻结构化或沉积技术被应用于高温超导体时,它们引起其中的缺陷密度显著并且高温超导体材料发生分解。

5、wo 2022/197482 a1描述了一种传输子类型的量子比特,其中,电容器的导电层由范德华材料组成。


技术实现思路

1、鉴于上文讲解的技术问题,需要一种改进的量子比特。这个问题由根据权利要求1所述的量子比特器件、根据权利要求9所述的用于制造量子比特器件的方法、以及根据权利要求15所述的用于制造量子比特器件的接触层来解决。从属权利要求涉及优选实施例。

2、在第一方面中,一种量子比特器件包括第一超导体层、第二超导体层、电容器、第一互连件和第二互连件。第一超导体层包括第一超导体材料。第一超导体材料是第一各向异性分层材料,其具有共价结合原子层和垂直于第一超导体材料的共价结合原子层的第一c轴。第二超导体层包括第二超导体材料。第二超导体材料是第二各向异性分层材料,其具有共价结合原子层和垂直于第二超导体材料的共价结合原子层的第二c轴。第二超导体层布置在第一超导体层之上,以形成第一超导体材料与第二超导体材料之间的约瑟夫森结。第一c轴和第二c轴在约瑟夫森结处彼此对齐。约瑟夫森结处的所对齐的第一c轴和第二c轴与第一超导体层和第二超导体层两者相交。电容器包括第一电极和第二电极。第一互连件将第一电极和第一超导体层电连接。第二互连件将第二电极和第二超导体层电连接。电容器布置在竖直位置处,该竖直位置超过第一超导体层和第二超导体层两者的竖直位置。

3、这种结构准许独立于电容器来设计和提供约瑟夫森结,且反之亦然。因此,提供了完全优化的量子比特器件。与低温超导体材料相比,包括各向异性分层材料的超导体层在制造期间可能经受变化(例如,就其尺寸或形状而言)。该描述的量子比特器件的优点是,(多个)超导体层(和/或分别地,约瑟夫森结)的制造变化不会转化为电容器的变化;相反,它们可以通过电容器的定制设计得到补偿。可使用常规的光刻结构化或沉积技术来制造电容器,从而提供高的结构精度。

4、结构是分别实施制造技术或者提供接触层的直接后果,将在下文详细描述该接触层。所得结构(即,(第一和第二)超导体材料)的缺陷密度分别地显著低于使用光刻结构化或沉积技术制造的结构,或者显著低于其中的(多种)(高临界温度)超导体材料。

5、约瑟夫森结可被称为范德华约瑟夫森结,特别是在其中第一超导体材料和/或第二超导体材料是范德华材料的实施例中。

6、第一各向异性分层材料和/或第二各向异性分层材料可以是可裂解(cleavable)材料,诸如使用粘合带可裂解的材料。

7、第一超导体层可由第一超导体材料组成。

8、第二超导体层可由第二超导体材料组成。

9、第一c轴可指代第一超导体材料的独特结晶轴。

10、第二c轴可指代第二超导体材料的独特结晶轴。

11、第一超导体材料和/或第二超导体材料可包括分层原子结构和/或结晶结构。第一(和/或第二)c轴可垂直于共价结合层和/或垂直于第一(和/或第二)超导体材料的分层原子结构和/或结晶结构的范德华间隙。

12、第一超导体材料和/或第二超导体材料可以是范德华材料。各向异性分层材料中的任一者在原子尺度上和/或就其电子、光学和/或机械性质而言可以是各向同性的,例如当呈单晶形式时。

13、电容器可布置在约瑟夫森结上方。

14、竖直线可与第一超导体层和第一电极两者相交。

15、竖直线可与第二超导体层和第二电极两者相交。

16、量子比特器件可进一步包括电绝缘元件。

17、电绝缘元件可布置在介于电容器的竖直位置与第一超导体层和/或第二超导体层的竖直位置之间的竖直位置处。

18、相应的电绝缘元件确保第二超导体层和第一电极彼此电绝缘,和/或确保第一超导体层和第二电极彼此电绝缘。此外,电绝缘元件为第一互连件和/或第二互连件提供了基体(matrix)。

19、电绝缘元件可布置在第一超导体层与第二电极之间。

20、电绝缘元件可布置在第二超导体层与第一电极之间。

21、电绝缘元件可布置在第一超导体层与第一电极之间。

22、电绝缘元件可布置在第二超导体层与第二电极之间。

23、第一互连件的至少一个区段可布置在电绝缘元件中。

24、第一互连件可布置在电绝缘元件中。

25、第二互连件的至少一个区段可布置在电绝缘元件中。

26、第二互连件可布置在电绝缘元件中。

27、第一互连件和/或第二互连件可延伸穿过电绝缘元件,并且可选地从其底表面延伸到其顶表面。

28、电绝缘元件可包括碳化硅、氮化硅或非晶硅或者由碳化硅、氮化硅或非晶硅组成。

29、相应的材料提供足够的电绝缘。此外,这些材料在被提供为足够薄的层时(例如,不超过600nm)具有机械柔性,这有益于制造相应的量子比特器件。

30、电绝缘元件的侧向延伸部可完全覆盖第一超导体层的侧向延伸部和第二超导体层的侧向延伸部。

31、在相应的实施例中,电绝缘元件还为第一超导体层和/或第二超导体层提供机械保护,并且在一些实施例中提供密封,例如防潮或抗反应气体(诸如,氧气)。

32、电绝缘元件沿着竖直方向可具有在从300nm到600nm的范围内的厚度。

33、量子比特器件可进一步包括约瑟夫森结的封装,诸如水密、防湿、氧密和/或气密封装,其中,封装包括电绝缘元件以及可选地衬底,约瑟夫森结布置在该衬底之上。

34、第一超导体材料可包括平行于其共价结合原子层的第一取向。第二超导体材料可包括平行于其共价结合原子层的第二取向。约瑟夫森结处的第一超导体材料和第二超导体材料可以第一取向与第二取向之间的某个角度布置,该角度对应于预定义角度。

35、可使用超导体材料的取向之间的角度根据特定器件应用的需求来定制量子比特器件的器件参数。例如,可通过调整相应的角度来提供具有特别长的相干时间的量子比特器件。

36、约瑟夫森结处的第一超导体材料和第二超导体材料可以第一取向与第二取向之间的某个角度布置,该角度在从38°到44.9°的范围内。

37、相应的角度最大化量子比特器件的相干时间,特别是对于在其水平初基晶格矢量之间具有大约90°的角度的超导体材料,诸如bscco(即,bi2sr2can-1cuno2n+4+x)。

38、第一c轴可对应于第一超导体材料的初基晶格矢量。

39、第二c轴可对应于第二超导体材料的初基晶格矢量。

40、第一取向可对应于垂直于第一c轴的第一初基晶格矢量,特别地对应于第一初基晶格矢量的垂直于第一c轴的方向。

41、第二取向可对应于垂直于第二c轴的第二初基晶格矢量,特别地对应于第二初基晶格矢量的垂直于第一c轴的方向。

42、第一超导体材料和/或第二超导体材料的共价结合原子层可相隔范德华间隙。

43、第一取向可对应于第一超导体材料的平行于第一超导体材料的共价结合原子层的晶格矢量,并且第二取向可对应于第二超导体材料的平行于第二超导体材料的共价结合原子层的对应的晶格矢量。

44、第一取向可指代相应的超导体材料的d波电子光谱中的节点方向。

45、第一超导体材料和第二超导体材料可具有相同的结晶结构和/或相同的结晶晶胞和/或为相同的超导体材料。

46、第一超导体材料和/或第二超导体材料可以是高温超导体材料,特别地,具有至少4k或至少8k或至少15k或至少30k或至少50k或至少70k或至少78k的临界温度。

47、第一超导体材料和/或第二超导体材料可以是ii型超导体材料。

48、第一超导体材料和/或第二超导体材料可以是d波超导体材料。

49、第一超导体材料和/或第二超导体材料可包括氧或硫属化物,特别地达至少20原子百分比或至少30原子百分比。

50、第一超导体材料和/或第二超导体材料可包括化学组合物bi2sr2can-1cuno2n+4+x,特别地,其中,n=1或2或3或4。

51、在约瑟夫森结处的第一超导体材料与第二超导体材料之间的距离可为至少0.2nm、特别地至少0.25nm、特别地至少0.3nm、特别地至少0.35nm、特别地至少0.4nm、特别地至少0.45nm、或至少0.5nm。

52、在约瑟夫森结处的第一超导体材料与第二超导体材料之间的距离可为至多10nm、特别地至多8nm、特别地至多6nm、特别地至多4nm、特别地至多3nm、特别地至多2nm、特别地至多1nm。

53、间隔件材料可布置在约瑟夫森结处的第一超导体材料与第二超导体材料之间,其中,可选地,间隔件材料包括各向异性分层材料或由各向异性分层材料组成。

54、间隔件材料可有助于确保约瑟夫森结处的超导体材料之间的距离正确。

55、约瑟夫森结处的第一超导体材料与第二超导体材料之间的重叠区域的面积可为至少0.1μm2、特别地至少0.3μm2、特别地至少0.5μm2、或至少1μm2。

56、约瑟夫森结处的第一超导体材料与第二超导体材料之间的重叠区域的面积可为至多50μm2或至多1μm2。

57、量子比特器件可进一步包括微波共振器。

58、相应的微波共振器促进量子比特器件的读出,例如以分散读出的形式。

59、微波共振器可电容地耦接到电容器,可选地沿着水平方向。

60、微波共振器可布置在竖直位置处,该竖直位置超过第一超导体层和第二超导体层两者的竖直位置。

61、相应的微波共振器可有益地与电容器一起在同一工艺步骤中制造,使得可以很少的步骤并因此高效且经济地制造相应的量子比特器件。

62、微波共振器可包括超导体材料或由其组成,诸如低温超导体材料或者元素或氮化物超导体材料,诸如al、nb、nbn或tin。

63、对材料的相应选择促进使用常规的光刻结构化或沉积技术来制造(多个)相应的部件,且因此改进制造期间的结构精度。

64、微波共振器的共振频率可在从1ghz到10ghz的范围内、或在从1ghz到10ghz的范围内。

65、电容器的电容可在从4飞法(femtofarads)到500飞法的范围内、或在从4飞法到400飞法的范围内、或在从70飞法到400飞法的范围内。

66、第一电极和/或第二电极和/或第一互连件和/或第二互连件可包括超导体材料或由其组成,诸如低温超导体材料或者元素或氮化物超导体材料,诸如al、nb、nbn或tin。

67、在第二方面中,一种用于制造量子比特器件的方法包括:提供第一超导体材料与第二超导体材料之间的约瑟夫森结;以及提供与约瑟夫森结间隔开的接触层。接触层包括电绝缘元件、第一互连件和第二互连件。第一互连件延伸穿过电绝缘元件。第二互连件延伸穿过电绝缘元件。该方法进一步包括:将接触层布置在约瑟夫森结之上,以形成第一互连件与第一超导体材料之间的电接触以及形成第二互连件与第二超导体材料之间的电接触。

68、这种制造方法(通过提供与约瑟夫森结间隔开的接触层并在稍后的步骤处将接触层布置在约瑟夫森结之上)确保在制造期间分别对约瑟夫森结或者对第一超导体材料和第二超导体材料的损坏最小。

69、被提供为与约瑟夫森结间隔开的接触层可包括布置在电绝缘元件之上的电容器。所述电容器可包括第一电极和第二电极。在对应的实施例中,第一互连件可电连接到第一电极,和/或第二互连件可电连接到第二电极。

70、被提供为与约瑟夫森结间隔开的接触层可包括布置在电绝缘元件之上的微波共振器,其中,可选地,微波共振器电容地耦接到电容器。

71、该方法可进一步包括:在接触层布置在约瑟夫森结之上时,将约瑟夫森结冷却到低于第一温度的温度,其中,第一温度为0℃、或250k、或230k、或210k、或190k、或170k、或150k、或130k。

72、在制造期间,冷却进一步分别减少对约瑟夫森结或者对第一超导体材料和第二超导体材料的任何损坏。

73、将接触层布置在约瑟夫森结之上可包括:将转移器件附接到接触层;以及将转移器件冷却到低于用以将转移器件附接到接触层的第二温度的温度。转移器件可适于在转移器件的温度低于第二温度时提供强粘附以及在转移器件的温度高于第二温度或高于超过第二温度的第三温度时提供弱粘附。

74、相应的转移器件准许在降低的(即,低于第一温度)制造温度下可靠地拾取和放置接触层。

75、转移器件可包括弹性体或由其组成。

76、第二温度和/或第三温度可超过弹性体的玻璃转变温度。

77、第三温度可对应于弹性体的玻璃转变温度。

78、弹性体可以是ptfe或pdms。

79、第二温度可不大于第一温度。

80、将接触层布置在约瑟夫森结之上可包括:从接触层释放转移器件,其中,从接触层释放转移器件包括将转移器件加热到介于第二温度与第一温度之间的温度。相应的温度可超过第三温度,该第三温度超过第一温度和第二温度两者。

81、第一超导体材料可以是第一各向异性分层材料,其具有共价结合原子层和垂直于第一超导体材料的共价结合原子层的第一c轴。第二超导体材料可以是第二各向异性分层材料,其具有共价结合原子层和垂直于第二超导体材料的共价结合原子层的第二c轴。

82、在相应的实施例中,约瑟夫森结可被提供为使得第一c轴和第二c轴在约瑟夫森结处彼此对齐,和/或可被提供为使得第一c轴和第二c轴两者在约瑟夫森结处与第一超导体材料和第二超导体材料两者相交。

83、提供第一超导体材料与第二超导体材料之间的约瑟夫森结可包括:将第一各向异性分层材料的第一超导体层布置在衬底之上;以及将第二各向异性分层材料的第二超导体层布置在第一超导体层之上,以生成约瑟夫森结。

84、提供第一超导体材料与第二超导体材料之间的约瑟夫森结可包括:在布置第一超导体层和第二超导体层之前,裂解第一各向异性分层材料以生成第一超导体层和/或裂解第二各向异性分层材料以生成第二超导体层,并且可选地,在裂解第一各向异性分层材料时,将其保持在低于第一温度的温度,和/或在裂解第二各向异性分层材料时,将其保持在低于第一温度的温度。

85、裂解第一各向异性分层材料和/或裂解第二各向异性分层材料和/或将第一超导体层布置在衬底之上和/或将第二超导体层布置在第一超导体层之上可使用包括弹性体或由弹性体组成的转移器件来执行。

86、电绝缘元件可设置有足够小的厚度以具有机械柔性,诸如具有300nm至600nm的厚度。

87、根据第三方面,一种用于制造量子比特器件的接触层包括电绝缘元件、电容器、第一互连件和第二互连件。电容器包括布置在电绝缘元件之上的第一电极和第二电极。第一互连件电连接到第一电极,并且从电绝缘元件的底表面穿过电绝缘元件延伸到其顶表面。第二互连件电连接到第二电极,并且从电绝缘元件的底表面穿过电绝缘元件延伸到其顶表面。第一电极、第二电极、第一互连件和第二互连件中的每一个包括相应的超导体材料。

88、电绝缘元件可包括足够小的厚度以具有机械柔性,诸如300nm至600nm的厚度。

89、接触层可包括布置在电绝缘元件之上的微波共振器,其中,可选地,微波共振器电容地耦接到电容器。

90、根据进一步的方面,一种用于改变量子比特器件的状态的方法包括:将具有第一微波频率的第一微波耦接到量子比特器件,其中,第一微波频率与量子比特器件的第三激发态与基态之间的能量差相关联;将具有第二微波频率的第二微波耦接到量子比特器件,其中,第二微波频率与量子比特器件的第三激发态与第二激发态之间的能量差相关联;以及将具有第三微波频率的第三微波耦接到量子比特器件,其中,第三微波频率与量子比特器件的第二激发态与第一激发态之间的能量差相关联。

91、这种方法准许可靠地改变量子比特器件的状态,即使量子比特器件的基态与第一激发态之间的跃迁具有非常低的跃迁概率,或者即使基态和第一激发态(几乎)是简并(degenerate)的。

92、根据实施例,第一微波频率与量子比特器件的第三激发态与基态之间的能量差不匹配,例如相差至少0.01%且至多5%。替代性地,或另外,第二微波频率可与量子比特器件的第三激发态与第二激发态之间的能量差不匹配,例如相差至少0.01%且至多5%。替代性地,或另外,第三微波频率可与量子比特器件的第二激发态与第一激发态之间的能量差不匹配,例如相差至少0.01%且至多5%。在对应的实施例中,第一微波、第二微波和第三微波可同时耦接到量子比特器件。

93、根据另一个实施例,该方法包括:首先将第一微波和第三微波耦接到量子比特器件(其中,可选地,第一微波和第三微波可作为π脉冲(pi-pulses)耦接到量子比特器件),然后将第二微波耦接到量子比特器件(其中,可选地、第二微波可根据基态与第一激发态之间的预定义相位差耦接到量子比特器件),且然后将第一微波和第三微波耦接到量子比特器件(其中,可选地,第一微波和第三微波可作为π脉冲耦接到量子比特器件)。在对应的实施例中,第一微波频率可与量子比特器件的第三激发态与基态之间的能量差相匹配,例如在0.01%以内。替代性地,或另外,第二微波频率可与量子比特器件的第三激发态与第二激发态之间的能量差相匹配,例如在0.01%以内。替代性地,或另外,第三微波频率可与量子比特器件的第二激发态与第一激发态之间的能量差相匹配,例如在0.01%以内。

94、量子比特器件可以是根据上文所描述的实施例中的任一个的量子比特器件。

95、第一微波频率可在从7ghz到15ghz的范围内。

96、第二微波频率可在从1ghz到2ghz的范围内。

97、第三微波频率可在从6ghz到13ghz的范围内。

98、该方法可进一步包括:使用分散读出来分析量子比特的改变的状态。

99、将第一微波、第二微波和/或第三微波耦接到量子比特器件和/或分散读出可使用上文所描述的微波共振器。

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