走向规模化！半导体产线首次制造高质量的超导量子比特

光子盒研究院出品

随着超导量子比特平台正迈向制造越来越大、规模更成熟的实用量子计算机，缺乏过程控制而导致的量子比特不均匀性这一限制变得更加明显。

近日，比利时微电子研究中心（IMEC）团队展示了一种完全兼容CMOS（互补式金属氧化物半导体）的量子比特制造方法[1]，并展示了具有长相干和弛豫时间（100+ µs）的重叠约瑟夫森结器件的结果。这一制造工艺预示着迈向可制造高相干超导量子比特的300毫米CMOS工艺的重要里程碑，并有可能推动超导器件架构的规模化。

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传统超导量子比特制程与CMOS不兼容

在计算的量子电路模型中，有前途的技术之一是利用超导电路，量子比特是量子电路的组成部分。IMEC高级研究员Anton Potočnik说：“超导量子比特的能量状态相对容易控制，而且多年来，研究人员已经能够将越来越多的量子比特耦合在一起。这是量子计算的支柱之一，世界各地的研究小组已经证明了超导量子比特具有长相干时间（高达几百微秒）、足够高的门保真度，它们是量子计算的两个重要基准。”

到目前为止，上述令人鼓舞的结果仅在实验室规模上获得：使用“双角蒸发”（double-angle evaporation）和“剥离技术”（lift-off techniques）制造最关键的元件——约瑟夫森结。“超导量子比特本质上是一个非线性LC谐振器电路，包含一个非线性电感器(L)和一个电容器(C)，”Anton Potočnik解释说：“约瑟夫森结起到非线性、非耗散电感器的作用，它允许我们操纵量子比特能量状态来表示，例如，|0⟩和|1⟩的叠加。为了最大限度地减少任何能量损失，即最大化相干时间，构成结和电容器的结构中包含的各种界面必须尽可能干净。即使其中一个界面存在一个原子缺陷，也会导致量子比特失去能量。这就是为什么双角蒸发和剥离是首选的制造技术：它们可以提供这些极其干净的界面。”

但这些制造技术有一个严重的缺点：它们难以进一步升级为更多数量的量子比特。蒸发结的约瑟夫森能量的可变性阻碍了大规模实施；此外，制造技术限制了超导材料的选择（被认为与先进CMOS制造不兼容），因此限制了量子比特改进的潜力。

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替代性方案：CMOS兼容制造技术

IMEC的研究人员Jeroen Verjauw博士说：“我们在IMEC的团队已经探索了制造超导电路的替代方法。我们的重点是仅使用与CMOS兼容的材料和技术来创建‘重叠约瑟夫森结’，因为这能够利用最先进的CMOS处理步骤所提供的可靠性、可重复性来控制量子比特变质并促进升级。”

重叠结有两个电极（底部：BE和顶部：TE），被一个薄的绝缘层分开。电极是在两个图案化周期中定义的，中间有一个真空中断。该中断引入了本地金属氧化物的不可控生长，必须在“Ar-铣削”步骤中去除。“然而，众所周知，Ar-铣削步骤非常关键：之前曾有报道称它会引入不必要的能量损失。”Jeroen Verjauw补充道[2]。

（a）约瑟夫森结横截面图。底部电极(BE)和顶部电极(TE)之间的重叠定义了约瑟夫森结和（寄生）杂散结；（b）湿法蚀刻BE结横截面。Ar铣削诱导的非晶硅层在TE层下方可见（a中的绿色界面）；（c）量子比特能量弛豫测量和（d）平均门保真度和每个门的平均误差。

针对实验结果，另一位研究员Tsvetan Ivanov说：“我们已经在实验室证明了超导量子比特的相干时间超过100µs，平均单量子比特门保真度为99.94%。这些结果与最先进的设备相当，但是，这是第一次使用与CMOS兼容的制造技术获得。这些突破性的结果可以通过改进已知的重叠结制造工艺来实现：改进包括工艺优化以减少工艺步骤和界面的数量（因此减少能量损失的风险）、改进的Ar铣削步骤以及专门使用铝(Al)来制造电极。”

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将缩小设备体积，以应用于大面积晶圆上

不过，迄今为止，此篇论文中描述的实验仅在实验室环境中的薄绝缘层上实现。

Tsvetan Ivanov表示，“所提出的制造方法预示着迈向高质量超导量子比特可制造300mm CMOS工艺的一个重要里程碑。很快，我们将把这些超导电路的制造转移到IMEC的300mm晶圆厂：我们渴望验证，是否高相干时间可以在更大的晶圆基板上重现。”

同样，Jeroen Verjauw表示：“我们还设计了测试以便研究能量损失的来源。初步结果表明，损失主要发生在结构的外表面，而不是关键连接处。这是令人鼓舞的，因为它为优化留下了更多空间。最后，我们的制造方法提供了一条在大面积晶圆上制造可重复量子比特的途径。”

然而，在通往实用的超导量子计算机的道路上还存在其他障碍。Anton Potočnik总结道：“例如，与半导体自旋量子比特（nm级）相比，超导量子比特仍然相对较大（mm级）。我们正研究如何进一步缩小设备，算法方面也正在进行许多努力。我们今天制造的量子比特并不理想，因此在理论方面付出了巨大的努力来开发对损失和错误更具弹性的算法，和量子纠错协议。最重要的是，校准良好的仪器需要与越来越多的超导量子比特连接，控制它们并读出有意义的结果。”

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总结与展望：在正确的轨道上取得进展

此次实验中，IMEC的量子计算团队展示了一种完全兼容CMOS的超导量子比特制造方法。

最后，IMEC量子计算项目总监Kristiaan De Greve认为，Anton、Tsvetan、Jeroen等人的工作成果是一个重要的里程碑，凭借工业控制和准确性优势克服了超导量子比特升级的基本障碍——标准处理方法。Greve表示：“由于未来的量子处理器可能需要数千到数百万个物理量子比特，因此克服可变性和低产量造成的限制至关重要。因此，IMEC在理解和基准测试这些限制，引入新的解决方案是将我们基于半导体和超导经验的量子计算带入了正确的发展轨道。”

参考链接：

[1] https://www.nature.com/articles/s41534-022-00600-9

[2]https://phys.org/news/2022-08-high-quality-superconducting-qubits-fabricated-cmos-compatible.html

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