鈮基超導(dǎo)量子比特及輔助器件的制備*

宿非凡 楊釗華2) 趙壽寬2) 嚴(yán)海生2) 田野 趙士平2)?

1) (中國(guó)科學(xué)院物理研究所,北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心,北京 100190)

2) (中國(guó)科學(xué)院大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院,北京 100049)

近年來(lái)超導(dǎo)量子計(jì)算的研究方興未艾,隨著谷歌宣布首次實(shí)現(xiàn)“量子優(yōu)勢(shì)”,這一領(lǐng)域的研究受到了人們進(jìn)一步的廣泛關(guān)注.超導(dǎo)量子比特是具有量子化能級(jí)、量子態(tài)疊加和量子態(tài)糾纏等典型量子特性的宏觀器件,通過(guò)電磁脈沖信號(hào)控制磁通量、電荷或具有非線性電感和無(wú)能量耗散的約瑟夫森結(jié)上的位相差,可對(duì)量子態(tài)進(jìn)行精確調(diào)控,從而實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算和量子信息處理.超導(dǎo)量子比特有著諸多方面的優(yōu)勢(shì),很有希望成為普適量子計(jì)算的核心組成部分.以鈮或其他硬金屬(如鉭等)為首層大面積材料制備的超導(dǎo)量子比特及輔助器件(簡(jiǎn)稱鈮基器件)擁有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)以及進(jìn)一步發(fā)展的空間,目前已引起越來(lái)越多的興趣.本文將介紹常見(jiàn)的多種超導(dǎo)量子比特的基本構(gòu)成和工作原理,進(jìn)而按照器件加工的一般順序,從基片選擇和預(yù)處理、薄膜生長(zhǎng)、圖形轉(zhuǎn)移、刻蝕和約瑟夫森結(jié)的制備等方面詳細(xì)介紹鈮基超導(dǎo)量子比特及其輔助器件的多種制備工藝,為超導(dǎo)量子比特的制備提供一個(gè)可借鑒的清晰的工藝過(guò)程.最后,介紹若干制備鈮基超導(dǎo)量子比特與輔助器件的具體例子,并對(duì)器件制備的工藝與方法的優(yōu)化做展望.

1 引言

超導(dǎo)量子比特是以非線性無(wú)損耗的約瑟夫森結(jié)為核心,具有宏觀量子效應(yīng)的器件,具有能耗低、比特?cái)?shù)易擴(kuò)展、量子態(tài)調(diào)控和讀取方便、量子退相干時(shí)間呈現(xiàn)不斷提高的特點(diǎn),目前已成為最有希望實(shí)現(xiàn)普適量子計(jì)算的方案之一[1-5].超導(dǎo)量子比特在過(guò)去的二十多年時(shí)間中,經(jīng)歷了位相量子比特、電荷量子比特、磁通量子比特和傳輸子(transmon)量子比特等器件結(jié)構(gòu)和量子退相干時(shí)間的發(fā)展和深入研究,器件結(jié)構(gòu)和制備工藝日趨成熟.近年來(lái)發(fā)展起來(lái)了一系列器件制備方法,其主流工藝包括在藍(lán)寶石或高阻硅基片上制備鋁膜基底,并結(jié)合干法刻蝕或濕法刻蝕和雙角度蒸發(fā)約瑟夫森結(jié)等工藝,基于這些工藝制備的超導(dǎo)量子比特器件已成功地應(yīng)用于豐富的物理[6-22]、化學(xué)[23-27]、生物學(xué)[28]、機(jī)器學(xué)習(xí)[29,30]和金融[31,32]等領(lǐng)域的研究中.

另一方面,在藍(lán)寶石或高阻硅基片上以VB 族金屬材料鈮(或鉭) 為基底來(lái)制備超導(dǎo)量子器件(以下統(tǒng)稱鈮基器件),能方便電子束曝光制備圖形時(shí)的定標(biāo)、可采用更穩(wěn)定的干刻工藝、易于器件的反復(fù)超聲點(diǎn)焊引線和約瑟夫森結(jié)電阻的室溫測(cè)量,也具有簡(jiǎn)化立體封裝工藝的潛力,因而在超導(dǎo)量子比特及其輔助器件的制備方面受到了越來(lái)越多的重視,目前已為IBM[33]、Princeton[34]、Berkeley[35]、MIT[36]、ETH[37]、中國(guó)科學(xué)院物理研究所[38-41]和北京量子信息科學(xué)院[42]等多個(gè)國(guó)際國(guó)內(nèi)研究組所采用.本文首先簡(jiǎn)單討論多種超導(dǎo)量子比特器件的構(gòu)成和基本工作原理,接著從基片的選擇和預(yù)處理、薄膜生長(zhǎng)、圖形轉(zhuǎn)移、干法刻蝕、約瑟夫森結(jié)的蒸發(fā)等方面詳細(xì)介紹以鈮薄膜為基底的超導(dǎo)量子比特及其輔助器件的制備工藝,最后介紹多種超導(dǎo)量子比特器件的制備和測(cè)量結(jié)果,并對(duì)今后的發(fā)展作展望.本文對(duì)現(xiàn)有的鈮基超導(dǎo)量子比特的制備工藝進(jìn)行梳理,為今后相關(guān)領(lǐng)域研究的進(jìn)一步發(fā)展,以及繼續(xù)提高超導(dǎo)量子比特的特性及其規(guī)?；瘮U(kuò)展提供一定的參考.

2 超導(dǎo)量子比特的構(gòu)成與工作原理

歷史上人們提出的超導(dǎo)量子比特的設(shè)計(jì)方案包括最初的超導(dǎo)電荷量子比特(charge qubit)[9]、磁通量子比特(flux qubit)[43]和位相量子比特(phase qubit)[44],后來(lái)發(fā)展出目前常見(jiàn)的傳輸子量子比特[45-47]、fluxonium[48]和C-shunt flux qubit[49]等,以下簡(jiǎn)單介紹這些超導(dǎo)量子比特的構(gòu)成與工作原理.

早期的電荷量子比特、磁通量子比特與位相量子比特的等效電路與能級(jí)特征如圖1 所示[50],這3 種量子比特現(xiàn)在已基本淡出人們的視線(其中磁通量子比特仍在絕熱量子計(jì)算方案中被使用[51]),作為歷史沿革,下面進(jìn)行原理性概述.電荷量子比特的設(shè)計(jì)是將約瑟夫森結(jié)與門電容串聯(lián)而構(gòu)成一個(gè)如圖1(a)中紅色部分所表示的庫(kù)珀對(duì)盒[9](Cooper pair box),通過(guò)門電壓偏置可以改變庫(kù)珀對(duì)盒上庫(kù)珀對(duì)的數(shù)目,從而形成一個(gè)周期勢(shì).如果電容的充電能EC遠(yuǎn)大于約瑟夫森耦合能EJ,周期勢(shì)主要由充電能決定的不同庫(kù)珀對(duì)數(shù)對(duì)應(yīng)的拋物線型勢(shì)構(gòu)成,不同拋物線的交叉處由于約瑟夫森耦合能的存在會(huì)產(chǎn)生免交叉,電荷量子比特即工作在門電壓偏置于某個(gè)免交叉點(diǎn)附近.磁通量子比特則由一個(gè)含(若干)約瑟夫森結(jié)的電感L的超導(dǎo)環(huán)組成[43],如圖1(b)所示.這一系統(tǒng)的勢(shì)能曲線一般是一個(gè)雙阱勢(shì),兩阱底部的相對(duì)高度和兩阱間的勢(shì)壘高度都可通過(guò)選擇合適的參數(shù)調(diào)整,粒子在兩個(gè)阱中分別對(duì)應(yīng)超導(dǎo)環(huán)中的兩個(gè)不同的環(huán)流方向,當(dāng)勢(shì)壘高度足夠低時(shí)可組成疊加態(tài),系統(tǒng)的兩個(gè)最低能級(jí)即可作為量子比特的0 態(tài)和1 態(tài).位相量子比特與磁通量子比特的設(shè)計(jì)類似,如圖1(c)所示.通常該設(shè)計(jì)中使用含一個(gè)面積較大的約瑟夫森結(jié)的超導(dǎo)回路[42],因此具有較大的約瑟夫森耦合能EJ.利用磁通(電流)進(jìn)行偏置,可使體系形成一搓衣板狀勢(shì)阱,選擇合適的參數(shù)可使勢(shì)阱中保留合適的能級(jí)個(gè)數(shù),其中最低的兩個(gè)能級(jí)便可作為量子比特0 態(tài)和1 態(tài).概括起來(lái)看,這3 種超導(dǎo)量子比特分別采用了不同大小的約瑟夫森耦合能EJ和電容充電能EC之間的比值[50,52],具體來(lái)說(shuō),對(duì)電荷量子比特該比值約為0.1,而磁通量子比特與位相量子比特的比值范圍分別在10—100 與104—106之間.

圖1 早期3 種超導(dǎo)量子比特的電路模型、勢(shì)能和能級(jí)圖[50] (a)電荷量子比特;(b)磁通量子比特;(c)位相量子比特Fig.1.Circuit diagram,potential energy and energy levels of three superconducting qubits:(a) Charge qubit;(b) flux qubit;(c) phase qubit [50].

通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),電荷噪聲會(huì)導(dǎo)致量子退相干從而影響量子比特的性能.為提升量子比特的性能,在電荷量子比特的基礎(chǔ)上,通過(guò)增大EJ/EC來(lái)減小量子比特能級(jí)間距隨電荷數(shù)的變化而發(fā)生的影響,從而降低電荷噪聲的影響(見(jiàn)圖1(a)EJ/EC=50.0 時(shí)的能譜).傳輸子超導(dǎo)量子比特便應(yīng)運(yùn)而生,其對(duì)電荷噪聲的不敏感性使其量子相干時(shí)間有了長(zhǎng)足的提高[45].傳輸子量子比特通常是一個(gè)電路量子電動(dòng)力學(xué)系統(tǒng),即量子比特和諧振腔的耦合系統(tǒng),而目前實(shí)驗(yàn)上常用的量子比特(如傳輸子量子比特)是含有兩個(gè)約瑟夫森結(jié)組成的超導(dǎo)量子干涉器件(SQUID),可以通過(guò)改變SQUID 環(huán)中的磁通大小來(lái)改變約瑟夫森結(jié)的總臨界電流,使EJ發(fā)生變化[50],從而二能級(jí)系統(tǒng)的能級(jí)間距可以通過(guò)外加磁通來(lái)調(diào)節(jié).此外,這類傳輸子量子比特通過(guò)電容與一個(gè)半波諧振腔耦合,既通過(guò)Purcell 效應(yīng)有效地壓制了由自發(fā)輻射引起的量子態(tài)的弛豫[53],也可以在色散區(qū)通過(guò)測(cè)量諧振腔的傳輸特性來(lái)獲得量子比特的狀態(tài).這樣的測(cè)量方法對(duì)量子比特因測(cè)量操作而引起的量子退相干很小,加上第一級(jí)約瑟夫森參量放大器的使用,可以實(shí)現(xiàn)非破壞性的量子態(tài)單發(fā)測(cè)量.傳輸子量子比特有效地提高了樣品的量子相干時(shí)間,截止到2017 年最長(zhǎng)可達(dá)到94 μs[54],目前多個(gè)研究組已經(jīng)突破百微秒量級(jí).但最初的設(shè)計(jì)較難將量子比特?cái)?shù)目加以擴(kuò)展.基于傳輸子量子比特的設(shè)計(jì)思路,IBM、耶魯大學(xué)等單位的研究者進(jìn)一步發(fā)展了不同的樣品設(shè)計(jì)也取得了很好的結(jié)果[45,54].

Martinis 團(tuán)隊(duì)[47]于2013 年報(bào)道了一種對(duì)傳輸子量子比特的改良設(shè)計(jì),如圖2 所示,由于該設(shè)計(jì)的十字叉形特征,故該團(tuán)隊(duì)將其命名為Xmon量子比特.這類器件結(jié)構(gòu)將原來(lái)與約瑟夫森結(jié)組合成非線性諧振電路電容的一端變?yōu)榈囟?而電容另一端設(shè)計(jì)為十字叉形,SQUID 位于在叉子形的下端.這種設(shè)計(jì)使得利用直流偏置(Z 線)調(diào)制SQUID變得方便、直接,而十字叉的另外三端可以分工明確,分別與讀出諧振腔、微波控制線(XY 線)、以及其他量子比特相耦合.這種設(shè)計(jì)使比特?cái)?shù)目的擴(kuò)展非常方便,目前已廣泛地應(yīng)用于各種量子計(jì)算和量子模擬的研究中,例如采用這種設(shè)計(jì)Google 成功實(shí)現(xiàn)了量子優(yōu)勢(shì)和對(duì)時(shí)間晶體的觀察.Xmon 量子比特的退相干時(shí)間最初達(dá)到40 μs 左右,雖然較前面提到的傳輸子量子比特略顯遜色,但在后續(xù)的制備工藝研究中發(fā)現(xiàn),其量子退相干時(shí)間仍有較大的提升空間.

圖2 Xmon 超導(dǎo)量子比特[47] (a) 器件照片;(b) 約瑟夫森結(jié)區(qū)放大圖;(c) 電路示意圖Fig.2.Superconducting Xmon qubit [47]:(a) Optical micrograph;(b) magnified view of Josephson-junction area;(c) circuit diagram.

除上述超導(dǎo)量子比特設(shè)計(jì)之外,圖3 所示的fluxonium 量子比特在磁通量子比特設(shè)計(jì)中將用一串約瑟夫森結(jié)組合而實(shí)現(xiàn)自感較大的電感并將該大電感并聯(lián)在小面積約瑟夫森結(jié)旁,由于引入了較大電容,該設(shè)計(jì)對(duì)電荷噪聲不敏感,再加之可以抑制準(zhǔn)粒子激發(fā)的特點(diǎn),使該設(shè)計(jì)的樣品退相干時(shí)間達(dá)到了毫秒量級(jí)[55].

圖3 Fluxonium 量子比特[48] (a) 器件照片;(b) 天線;(c) 3D 腔;(d) 電路示意;(e) 勢(shì)能和能級(jí)示意圖Fig.3.Superconducting fluxonium qubit [48]:(a) Optical micrograph;(b) antenna;(c) 3D resonator;(d) circuit diagram;(e) potential energy and energy levels.

類似如圖4 所示,并聯(lián)電容磁通量子比特(Cshunt flux qubit)也是以磁通量子比特為基礎(chǔ)藍(lán)本,將一個(gè)較大的電容并聯(lián)在小面積約瑟夫森結(jié)旁,再通過(guò)電容耦合諧振腔實(shí)現(xiàn)操縱、讀出[49].該設(shè)計(jì)使得體系勢(shì)能函數(shù)將電荷量子比特和磁通量子比特的特性結(jié)合起來(lái),勢(shì)能曲線最終呈現(xiàn)四次函數(shù)的形式[49],而該能級(jí)結(jié)構(gòu)使得電容分流磁通量子比特?fù)碛休^傳輸子量子比特更大的非線性,該器件的退相干時(shí)間可達(dá)40 μs 左右.

圖4 并聯(lián)電容磁通量子比特[49] (a) 樣品基本結(jié)構(gòu);(b) 電容部分;(c) 約瑟夫森結(jié)部分Fig.4.C-shunt flux qubit[49]:(a) Device structure;(b) capacitor area;(c) Josephson-junction area.

多年來(lái)人們通過(guò)對(duì)超導(dǎo)量子比特器件的材料、結(jié)構(gòu)和制備工藝方面的深入研究,逐漸完善了對(duì)提升器件性能的關(guān)鍵因素的認(rèn)知,采用不同材料的量子比特其量子相干時(shí)間得到了很大的提升[42].下面將系統(tǒng)介紹以鈮為代表的ⅤB 族金屬作為超導(dǎo)量子比特首層材料時(shí)的制備工藝方面的研究和進(jìn)展.

3 鈮基超導(dǎo)量子比特的基本制備工藝

3.1 基片的選擇以及預(yù)處理

Martinis 團(tuán)隊(duì)[56]在2014 年對(duì)介質(zhì)介電損耗、約瑟夫森結(jié)與電感的損耗、器件輻射損耗等進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié),通過(guò)系統(tǒng)研究、比較常用襯底材料損耗,發(fā)現(xiàn)高阻硅和藍(lán)寶石兩種基片具有最小的介電損耗,這意味著以這兩種材料為基片制備的諧振腔可有更高的品質(zhì)因子,因此目前的超導(dǎo)量子比特制備工藝大多都選取這兩種材料作為工藝基片.

在選定基片以后,需要對(duì)基片進(jìn)行一定的預(yù)處理才可以在基片上進(jìn)行鈮膜的生長(zhǎng).清潔基片表面的方法與半導(dǎo)體工藝類似,包括化學(xué)方法(蝕刻、鈍化等)和物理方法(離子銑削、熱處理等).基本的處理方法是利用分析純級(jí)的丙酮、異丙醇、去離子水對(duì)基片進(jìn)行超聲清理,以去除基片表面的有機(jī)物以及落灰等雜質(zhì)[38,45-50,54-59].為進(jìn)一步去除高阻硅與藍(lán)寶石基片上存在的氧化層以及牢固附著有機(jī)物,可以利用氫氟酸(HF)對(duì)基片進(jìn)行2 min的漂洗[60,61],或者利用硫酸與雙氧水以2:1 體積比配制的“食人魚(yú)”試劑在120 ℃下浸泡10 min,再在75 ℃、體積比NH4OH∶H2O2∶H2O 為1∶1∶5 的混合液靜置10 min 后,利用1%濃度的HF 清洗1 min,亦可以取得相似的效果[35,62-66].研究指出,上述清洗過(guò)程可以有效減少硅基底表面的氧化物污染,從而減少諧振腔中的介電損失[67]而提高樣品諧振腔Q值,在不具備上述化學(xué)清洗的實(shí)驗(yàn)條件時(shí)利用離子銑的方法對(duì)基片進(jìn)行清洗也可以作為一種可提高樣品諧振腔Q值的簡(jiǎn)易處理方法[68,69].此外有研究證實(shí),通過(guò)使用六甲基二硅氮(HDMS) 對(duì)硅基底表面進(jìn)行鈍化從而形成疏水表面,亦可以減輕硅基片與后續(xù)金屬薄膜之間的界面損失,從而得到更高的諧振器品質(zhì)因子[63,70,71].

接下來(lái),在生長(zhǎng)金屬薄膜之前通常還會(huì)對(duì)藍(lán)寶石基片進(jìn)行溫度200—1000 ℃,時(shí)間從20 min 到數(shù)小時(shí)的加熱退火,該操作既有助于去除藍(lán)寶石基片上的有機(jī)殘余物,也有助于提高基片與金屬薄膜層之間界面的質(zhì)量[72,73].對(duì)于高阻硅基片,高溫加熱可以減少基片的氧化污染物,從而改善諧振器的品質(zhì)因子[74],但是需要注意的是,溫度高于950 ℃會(huì)使硅基片表面粗糙度顯著增大導(dǎo)致諧振腔品質(zhì)因子變小.

3.2 鈮薄膜的生長(zhǎng)與特性

高純金屬單質(zhì)或合金超導(dǎo)體的多種金屬薄膜已被用于超導(dǎo)量子比特的制備之中,金屬薄膜中的雜質(zhì)和缺陷對(duì)制備器件的性能有顯著的負(fù)面影響,因此金屬薄膜的制備工藝在超導(dǎo)量子比特的制備中占有極重要的位置.目前常見(jiàn)的金屬薄膜生長(zhǎng)方法有磁控濺射、分子束外延與電子束蒸發(fā)3 種,針對(duì)不同的金屬選取不同的生長(zhǎng)方式可獲得較好的效果[56].目前最主流的金屬基底材料為鋁,所制備的超導(dǎo)量子比特已有很多實(shí)際應(yīng)用[10-22,75].生長(zhǎng)金屬鋁的工藝較多,這些工藝各有優(yōu)勢(shì),例如分子束外延(MBE)可以產(chǎn)生平坦薄膜,但速度比物理或化學(xué)氣相沉積相關(guān)的慢得多.隨著超導(dǎo)量子比特性能的不斷提高[3,76],注意到由于金屬鋁的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度大約為1.2 K,所以鋁材料更容易由于較低超導(dǎo)能隙而受到測(cè)量環(huán)境的影響,也就是說(shuō)金屬鋁的內(nèi)在特性可能限制了超導(dǎo)量子比特的性能進(jìn)一步提高[77].在超導(dǎo)物理中,金屬鈮是另外一種較為熟悉的金屬材料[78,79],其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度約為9.2 K,有很高的臨界磁場(chǎng),且如前所述,采用鈮作超導(dǎo)量子器件的首層材料有多方面的優(yōu)勢(shì).對(duì)于金屬鈮,一般采用超高真空磁控濺射的方法生長(zhǎng),在常規(guī)的磁控濺射生長(zhǎng)過(guò)程中主要需要控制濺射的背景真空、工藝氣體工作氣壓與射頻電源濺射功率并在室溫環(huán)境中進(jìn)行濺射[39],這種方法可以獲得純凈的金屬鈮薄膜,其超導(dǎo)臨界溫度、晶格常數(shù)與純凈金屬鈮塊材基本相同.為了進(jìn)一步提高生長(zhǎng)金屬鈮薄膜的質(zhì)量,研究人員對(duì)磁控濺射的條件進(jìn)行了探索,有報(bào)道指出磁控濺射工藝的穩(wěn)恒電離電壓用短、高功率脈沖所取代(high-power impulse magnetron sputtering,即HiPIMS 工藝) 可生長(zhǎng)出更加致密的薄膜[72],在后續(xù)研究中,研究人員嘗試了不同的脈沖形式(HiPIMS opt,HiPIMS norm),得到了如表1 所列的結(jié)果.

如圖5 所示,利用AFM 觀察發(fā)現(xiàn),HiPIMS工藝制備的鈮膜較之普通的磁控濺射方法生長(zhǎng)的鈮膜擁有更加小的晶粒尺寸.HiPIMS 生長(zhǎng)的鈮膜較之濺射法生長(zhǎng)的鈮膜有更小的晶粒,較低的填充密度,這就導(dǎo)致了較為明顯的晶界空洞從而導(dǎo)致氧化物深入薄膜.研究指出,這種氧化物可以深入鈮膜約20 nm,考慮到鈮在6 GHz 的穿透深度為60 nm,這些氧化物可以引起較大的損耗[72].從圖5 與表1可以看出,優(yōu)化后的HiPIMS opt 生長(zhǎng)方法比HiPIMS norm 生長(zhǎng)方法有更大尺寸的晶粒,從而減小了上述損耗.

圖5 HiPIMS 工藝制備的鈮膜與普通磁控濺射方法生長(zhǎng)的鈮膜致密性對(duì)比[72]Fig.5.Comparison of the density of niobium film prepared by Hipims process with that by conventional magnetron sputtering[72].

表1 不同生長(zhǎng)模式制備的鈮薄膜器件性質(zhì)[72]Table 1.Properties of niobium thin film devices with different growth modes[72].

值得注意的是,相關(guān)研究指出利用加熱器將濺射環(huán)境溫度增加至850 ℃后,生長(zhǎng)的鈮膜制備的諧振腔Q值有了較大的提升,在對(duì)比磁控濺射、電子束蒸發(fā)、分子束外延3 種生長(zhǎng)方法與不同生長(zhǎng)工藝后得到了如表2 的結(jié)論[57],該研究對(duì)鈮膜的生長(zhǎng)條件有一定的借鑒意義.由于金屬鈮薄膜制備的超導(dǎo)量子比特具有不必制備電子束曝光套刻標(biāo)志、質(zhì)地堅(jiān)硬可以直接在室溫下測(cè)試結(jié)區(qū)電阻,反復(fù)進(jìn)行超聲點(diǎn)焊、不與堿性顯影液發(fā)生反應(yīng)、可能易于擴(kuò)展到3 維封裝工藝中等優(yōu)點(diǎn)[39],因此對(duì)超導(dǎo)量子比特向單芯片更多數(shù)目、更長(zhǎng)退相干時(shí)間的發(fā)展有較重要的意義.

表2 不同方法生長(zhǎng)鈮薄膜以及所制備諧振腔的性質(zhì)[57]Table 2.Growth of niobium thin films by different methods and fabricated resonator properties [57].

與金屬鈮(Nb) 同為VB 族的金屬鉭(Ta)也具有相對(duì)較高的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度(Tc=4.5 K),研究表明金屬鉭表面形成的氧化物比金屬鈮表面的氧化物擁有更穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)[72,80],且鈮的金屬氧化物對(duì)以鈮為基底的超導(dǎo)量子比特性能有較強(qiáng)的限制[81,82].因此將金屬鉭用于量子比特的制備可以進(jìn)一步提高超導(dǎo)量子比特的性能,目前在藍(lán)寶石基片上生長(zhǎng)的鉭基底的超導(dǎo)量子比特的能量弛豫時(shí)間可達(dá)亞毫秒量級(jí)[42,82](是目前文獻(xiàn)報(bào)道中最高的).生長(zhǎng)金屬鉭的工藝與生長(zhǎng)金屬鈮的方法類似,但在濺射過(guò)程中需要仔細(xì)控制濺射環(huán)境的溫度以壓制鉭金屬成膜過(guò)程中可能出現(xiàn)的有害β相[83-86].

需要注意的是,金屬薄膜內(nèi)的應(yīng)變也會(huì)影響超導(dǎo)量子比特的性能[66,87].在實(shí)驗(yàn)上可以通過(guò)成膜超導(dǎo)材料的超導(dǎo)臨界溫度Tc與材料標(biāo)準(zhǔn)Tc的差別來(lái)甄別較大的應(yīng)力存在[88-90],并作預(yù)先的工藝優(yōu)化.雖然金屬薄膜內(nèi)應(yīng)力影響超導(dǎo)量子比特性能的直接證據(jù)仍不十分明確,但可確定的是在底層基片材料內(nèi)引起的形變會(huì)改變量子比特和TLS(twolevel system)之間的相互作用[91-93].一般而言,由于基片和覆蓋的金屬的熱膨脹系數(shù)差異,集中在結(jié)構(gòu)邊緣附近的應(yīng)力在極低溫條件下會(huì)顯示出明顯的作用[94,95].

這部分最后需要指出的是,藍(lán)寶石基片上OH—和O2與鈮膜接觸時(shí),在二者界面將出現(xiàn)自旋極化[96-98]并產(chǎn)生1/f噪聲[99]對(duì)器件的性能也會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響,因此在實(shí)驗(yàn)制備的過(guò)程中需要注意到各步驟間的聯(lián)系,并仔細(xì)進(jìn)行每一個(gè)步驟.

3.3 圖形的制備

在生長(zhǎng)好的鈮膜上進(jìn)行圖形轉(zhuǎn)移是一個(gè)重要的過(guò)程,考慮到金屬化邊緣附近存在較高的電場(chǎng)強(qiáng)度與TLS,圖形線邊緣的粗糙度對(duì)器件性能有著重要影響[100,101],例如對(duì)濺射成膜的鈮基超導(dǎo)量子比特的研究表明,利用具有侵蝕性的SF6蝕刻會(huì)增加邊緣粗糙程度,從而降低器件諧振腔的品質(zhì)因子[70].現(xiàn)行的圖形轉(zhuǎn)移方法是光刻,光刻可以分為掩模紫外光刻[55]、激光直寫(DWL)[39]、電子束曝光[38,55](EBL) 3 種方法.其中精度最高的方法是電子束曝光,而時(shí)間最快的方法是掩模紫外光刻,而近年來(lái)成熟的激光直寫系統(tǒng)(DWL) 兼?zhèn)涓呔?、短時(shí)間且與多種光刻膠(S18××系列、LOR 系列、SPR 系列、AZ 系列等)均適配等特點(diǎn),利用直徑為2 mm 的激光直寫寫頭(DWL 66+系統(tǒng))所制備的光刻圖形精度可以達(dá)到200 nm 左右,足以滿足目前制備超導(dǎo)量子比特的工藝要求,目前一般報(bào)道中均使用激光直寫工藝進(jìn)行光刻[38,39,41,57,82].

對(duì)制備好圖形的金屬薄膜進(jìn)行刻蝕是圖形轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵步驟,通常有干法刻蝕與濕法刻蝕兩類工藝路線.干法刻蝕具有工藝穩(wěn)定可重復(fù)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),但干法刻蝕往往需要配套的刻蝕系統(tǒng),例如反應(yīng)離子刻蝕機(jī)、電感耦合等離子體反應(yīng)離子刻蝕機(jī)、微波等離子體刻蝕機(jī)等.濕法刻蝕工藝所需的儀器設(shè)備簡(jiǎn)單,但工藝受環(huán)境因素影響較大,穩(wěn)定性與可重復(fù)性都不及干法刻蝕.在實(shí)驗(yàn)中一般選擇毒性低、傷害少的工藝,例如對(duì)于金屬鋁選用化學(xué)濕法腐蝕的方法,雖然工藝條件不易穩(wěn)定但可以回避干法刻蝕需要的劇毒氣體[61],金屬鈮選用干法刻蝕的方法以避免濕法刻蝕需要的強(qiáng)酸、強(qiáng)堿試劑[39,57],可用穩(wěn)定的無(wú)毒干法刻蝕也是利用鈮膜制備超導(dǎo)量子比特的優(yōu)點(diǎn)之一.實(shí)驗(yàn)證明,將激光直寫與干法刻蝕工藝結(jié)合,可以使得金屬薄膜圖形邊沿起伏在30 nm 左右,在圖形轉(zhuǎn)移的過(guò)程中獲得了較好的保真度[39].此外,在刻蝕的過(guò)程中通過(guò)對(duì)高阻硅基片進(jìn)行深刻可以將所制備諧振腔的單光子水平內(nèi)部Q值提升至百萬(wàn)的量級(jí)[102].在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中可根據(jù)上述結(jié)果結(jié)合實(shí)驗(yàn)需求來(lái)綜合考慮選制備工藝路線.

3.4 約瑟夫森結(jié)的設(shè)計(jì)與制備

制備超導(dǎo)量子比特核心部件約瑟夫森結(jié)的工藝,基本上采用統(tǒng)一的PMMA/MMA 雙層膠電子束曝光并采用多蘭橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[103],或曼哈頓式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[104,105]結(jié)合雙角度影蒸發(fā)工藝.由于鋁的氧化物質(zhì)地堅(jiān)固,鈍化性能好且其厚度適合庫(kù)珀對(duì)隧穿,所以制備約瑟夫森結(jié)一般使用金屬鋁以及鋁的氧化物[106,107].鋁膜上的氧化物生長(zhǎng)速率與溫度、氧壓和氧化時(shí)間有復(fù)雜的關(guān)系.在室溫情況下,卡布雷拉-莫特(Cabrera-Mott)理論給出了一個(gè)簡(jiǎn)單的物理圖像,由于氧化層形成的過(guò)程中,金屬費(fèi)米能級(jí)和金屬氧化物能級(jí)之間的電子隧穿產(chǎn)生的電場(chǎng)會(huì)降低阻礙氧離子擴(kuò)散的化學(xué)勢(shì)壘,所以初始氧化速率會(huì)較大,而在后續(xù)過(guò)程中,由于隧穿電流隨著氧化膜厚度的增大呈指數(shù)減小,這個(gè)驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)隨之減小,氧化層生長(zhǎng)變慢,當(dāng)驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)不足以使金屬的傳導(dǎo)電子通過(guò)勢(shì)壘時(shí)氧化層將停止生長(zhǎng)達(dá)到極限厚度[108].有研究證實(shí)在沉積上層鋁之前,利用氧等離子體輔助工藝可以使結(jié)JC的數(shù)值加倍,并且可以穩(wěn)定所制備的約瑟夫森結(jié)性質(zhì)[106].另一方面,安貝戈卡-巴拉托夫(Ambegaokar-Baratof)公式[109]預(yù)測(cè)室溫下正常態(tài)的隧穿電阻(Rn)和結(jié)面積的乘積與其臨界電流密度JC成反比,這就為通過(guò)測(cè)量室溫約瑟夫森結(jié)電阻進(jìn)而判斷其參數(shù)是否符合實(shí)驗(yàn)要求提供了有效的途徑[110,111].

由于底層金屬表面的雜質(zhì)會(huì)阻礙超流的流動(dòng),進(jìn)而導(dǎo)致超導(dǎo)量子比特的退相干,所以將鋁膜制備的約瑟夫森結(jié)與底面金屬連接時(shí),需要消除這些缺陷以實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)連接,通常在生長(zhǎng)約瑟夫森結(jié)下層金屬之前通過(guò)氬離子銑去除上述雜質(zhì)[39].另一方面,系統(tǒng)的研究顯示由約瑟夫森結(jié)引起的比特缺陷有40%位于由雙角度影蒸發(fā)工藝形成的寄生結(jié)內(nèi),剩下的60%缺陷在離子銑后仍位于約瑟夫森結(jié)與底層金屬的接口上,而約瑟夫森結(jié)內(nèi)部對(duì)缺陷的貢獻(xiàn)基本是零[112].為減小制備約瑟夫森結(jié)引起的缺陷,可以通過(guò)在光刻步驟中巧妙地設(shè)計(jì)約瑟夫森結(jié)與基底金屬的連接方式來(lái)進(jìn)行改進(jìn),一些課題組對(duì)此進(jìn)行了研究,圖6 所示為其中兩種改良設(shè)計(jì),經(jīng)過(guò)上述設(shè)計(jì)改良之后的器件性能均有提升[112,113].

圖6 兩種約瑟夫森結(jié)設(shè)計(jì)方案 (a),(c)設(shè)計(jì)圖;(b),(d)對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)圖制備的約瑟夫森結(jié)電鏡照片[112,113]Fig.6.Two designs of Josephson junctions:(a),(c) Design drawings;(b),(d) electron micrographs of Josephson junctions prepared by corresponding designs [112,113].

3.5 超導(dǎo)量子多比特器件跨線的制備

隨著同一芯片上量子比特?cái)?shù)目的不斷增加,共地端設(shè)計(jì)的多量子比特之間不可避免會(huì)出現(xiàn)相互之間的串?dāng)_,為解決各個(gè)量子比特之間的串?dāng)_問(wèn)題需在芯片的不同區(qū)域之間用金屬跨線將地端連接起來(lái).這類跨線的搭建工藝可以分為兩種,一種是多層膜工藝[56],一種是空氣橋(air bridge)工藝[102,114].多層膜工藝是指在基片上的第一層金屬上再制備有指定圖形的絕緣層和金屬層,以保證在不短路諧振腔的情況下將不同區(qū)域的地端連接起來(lái).空氣橋工藝將多層膜工藝中的絕緣層替換為特定的光刻膠,最后利用特殊工藝將光刻膠去掉,搭建懸空的金屬橋.空氣橋較之多層膜的一大優(yōu)勢(shì)就是避免了多層膜工藝中絕緣介質(zhì)層可能給諧振腔帶來(lái)的介電損耗從而可以提升諧振腔特性.值得注意的是,有報(bào)道指出諧振腔的品質(zhì)因子會(huì)隨著空氣橋數(shù)量的變化而變化[114,115],這表明空氣橋雖然解決了絕緣層的介電損耗問(wèn)題但與空氣橋結(jié)構(gòu)、分布相關(guān)的介電損耗仍然存在,這種結(jié)構(gòu)性的損耗也會(huì)給器件帶來(lái)負(fù)面的影響.

3.6 小 結(jié)

本節(jié)較為詳細(xì)地討論了鈮基器件的制備方法并就每一個(gè)步驟介紹提高器件性能的方法.需要指出的是,要提升超導(dǎo)量子比特的性能,除了需要對(duì)金屬薄膜與基底材料或絕緣層材料之間的損耗[116,117]和TLS[44,116-124]等因素有進(jìn)一步的考慮外,還需要大量詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)研究.可以看到對(duì)提升鈮基器件性能的研究引起了人們持續(xù)的關(guān)注,例如近期有詳細(xì)的研究表明Nb2O5是在最初200 h 內(nèi)唯一在鈮膜上快速生長(zhǎng)的氧化物[81],而該氧化物對(duì)器件性能的負(fù)面影響強(qiáng)于其他氧化物[72,81].這些結(jié)果為進(jìn)一步提升鈮基器件的性能提供了有價(jià)值的參考.

4 鈮基超導(dǎo)量子比特及輔助器件的制備與表征

4.1 鈮基位相量子比特

位相量子比特是早期傳統(tǒng)的一種設(shè)計(jì)方案,由于其具有許多有益的特點(diǎn)在研究初期受到了廣泛的關(guān)注[125-129].利用金屬鈮為基底的多層膜工藝,結(jié)合約瑟夫森結(jié)的雙角度蒸發(fā)制備,可以完善超導(dǎo)位相量子比特的制備工藝.在這個(gè)制備工藝中,需將從上到下的約瑟夫森結(jié)與鋁膜、絕緣層薄膜(α硅或氟化鈣)、鋁膜、鈮膜等6 層不同材料的薄膜根據(jù)設(shè)計(jì)要求依次高精度(精度高于30 nm)疊放制備在一起,并利用雙角度蒸發(fā)工藝將位相量子比特的約瑟夫森結(jié)面積減小至0.05 μm2,該工藝既化簡(jiǎn)了位相量子比特的制備工藝又使得寄生在隧道勢(shì)壘中的兩能級(jí)系統(tǒng)(TLS) 數(shù)量大大減少.首次采用上述復(fù)雜的多層膜工藝成功制備了位相量子比特.對(duì)器件能譜的測(cè)量結(jié)果表示,在位相量子比特的通量偏置范圍內(nèi)沒(méi)有TLS 引發(fā)的劈裂交叉[38],且所制備的位相量子比特的能量弛豫時(shí)間相應(yīng)的提升可達(dá)到100 ns 量級(jí),實(shí)驗(yàn)制備的器件與測(cè)量結(jié)果如圖7 所示.

圖7 (a)鈮基位相量子位中心區(qū)域的光學(xué)顯微鏡照片,硅基片呈綠色,而較暗和較亮的金屬部分是Nb 和Al 薄膜;(b)位相量子比特能譜與能量弛豫時(shí)間的測(cè)量結(jié)果[38]Fig.7.(a) Optical microscope image of the central region of Nb-based phase qubit,the substrate appears greenish in color while the darker and brighter parts are the Nb and Al films;(b) measurement results of energy spectrum and energy relaxation time of phase qubit[38].

4.2 鈮基nSQUID 量子比特

隨著超導(dǎo)量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)中比特?cái)?shù)目的增多,量子信息在量子比特之間的傳輸速度顯得日益重要.為了實(shí)現(xiàn)量子信息在量子比特之間的快速傳遞,根據(jù)磁通量子動(dòng)力學(xué)原理,提出了一種在超導(dǎo)量子電路中快速傳輸信息的方法[130-133].以金屬鈮為基底材料設(shè)計(jì)、利用上述高精度的多達(dá)6 層的多層膜工藝成功制備并表征了超導(dǎo)nSQUID 量子比特[40],在國(guó)際上首次觀察到nSQUID 量子比特的量子相干性振蕩,證明了這種設(shè)計(jì)、工藝的可行性,實(shí)驗(yàn)制備的器件與測(cè)試結(jié)果如圖8 所示.除量子信息快速傳輸?shù)奶匦酝?nSQUID 量子比特在可調(diào)二維勢(shì)、能級(jí)、波函數(shù)對(duì)稱性和偶極矩陣元中都表現(xiàn)了出豐富的物理內(nèi)容,為研究如二維勢(shì)阱的隧穿等各種宏觀量子現(xiàn)象奠定了器件基礎(chǔ)[134-136].

圖8 (a) 鈮基nSQUID 量子比特中心部分的假色光學(xué)照片,襯底、Nb 層、Al 層和α-Si 層分別呈灰色、淺黃色、白色和棕色;(b)—(e) nSQUID 量子比特不同條件下的典型二維勢(shì)阱[40]Fig.8.(a) False-colored optical photograph of the central part of Nb-based nSQUID qubit with the substrate,Nb layer,Al layers,and α-Si layer appearing in gray,light yellow,white,and brown,respectively;(b)—(e) Typical 2D potential landscapes of the nSQUID qubit [40].

4.3 鈮基Xmon 量子比特

以鈮為超導(dǎo)電路基底材料結(jié)合鋁約瑟夫森結(jié)制備的CQED 框架cavity 耦合傳輸子多量子比特器件,采用超高真空磁控濺射獲得高質(zhì)量鈮膜,激光直寫與干法刻蝕工藝結(jié)合實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的圖形轉(zhuǎn)移,雙層光刻膠工藝結(jié)合低電壓電子束曝光工藝獲得了均勻性良好(優(yōu)于90%)的Al-AlOx-Al 約瑟夫森結(jié),特殊的除膠工藝使得鈮表面制備近千條跨線成功率為100%.從工藝上考慮,Al-AlOx-Al 約瑟夫森結(jié)的制備可以利用現(xiàn)有的商用儀器一站式的完成.經(jīng)測(cè)試器件的最長(zhǎng)能量弛豫時(shí)間達(dá)到40 μs,單比特門保真度可達(dá)99.97%.此外,比特間串?dāng)_小于1%,10 個(gè)比特均可獨(dú)立操控且有效耦合[39](實(shí)驗(yàn)制備的器件與測(cè)試結(jié)果參見(jiàn)圖9),說(shuō)明基于鈮膜的制備工藝能夠滿足一定規(guī)模超導(dǎo)量子比特器件的測(cè)控實(shí)驗(yàn).美國(guó)普林斯頓大學(xué)的研究組在藍(lán)寶石基片經(jīng)過(guò)腐蝕等步驟進(jìn)一步去除雜質(zhì)上制備的鈮基單量子比特的能量弛豫時(shí)間可以達(dá)到56 μs,而未用化學(xué)腐蝕清洗藍(lán)寶石基片的樣品性能稍低于上文中敘述的樣品性能,而在經(jīng)過(guò)精細(xì)處理的硅基片上制備的鈮基單量子比特的能量弛豫時(shí)間亦可以達(dá)到40 μs 左右[72].

圖9 (a)鈮基耦合10 比特器件中心區(qū)域;(b)跨過(guò)控制線的空氣橋;(c)包含兩個(gè)約瑟夫森結(jié)的SQUID 環(huán)區(qū)域;(d)樣品能量弛豫時(shí)間測(cè)量結(jié)果[39]Fig.9.Microscope images of (a) the central region of Nb-based coupled 10-qubit device;(b) an airbridge across the control line;(c) the SQUID loop area containing two Josephson junctions;(d) measurement results of sample energy relaxation time[39].

更長(zhǎng)的相干時(shí)間與更多的比特?cái)?shù)目是超導(dǎo)量子計(jì)算進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵,相關(guān)的研究表明由材料缺陷引起的微波損耗是導(dǎo)致超導(dǎo)量子器件退相干和能量弛豫的主要原因[124,129],這種損耗同時(shí)限制了芯片上超導(dǎo)量子比特的數(shù)目[34,137].在極低溫(＜100 mK) 環(huán)境中的單光子水平微波功率下,基片-金屬、金屬-空氣和基片-空氣界面的兩能級(jí)系統(tǒng)(TLS)缺陷是上述微波損失的主要來(lái)源[91],進(jìn)一步研究表明由于樣品暴露于外界空氣而生長(zhǎng)在材料上的天然氧化物對(duì)微波損失起主要貢獻(xiàn)[36,67,138].對(duì)于鈮基超導(dǎo)量子比特而言,系統(tǒng)的研究指出器件中的微波損耗隨鈮膜表面上氧化物(主要為Nb2O5)厚度增長(zhǎng)而成比例增長(zhǎng),當(dāng)利用氫氟酸(HF)將鈮膜表面的氧化物被去除后,同一個(gè)器件的內(nèi)部Q因子可明顯的從1×106增大到7×106[81].由于氮化鈦(TiN)制備的諧振腔擁有較高的Q值,可將其用于鈮金屬表面氧化物的防治,即在超高真空系統(tǒng)中生長(zhǎng)鈮膜后立即生長(zhǎng)一層較薄的氮化鈦(TiN)以保護(hù)鈮的表面并提高樣品的諧振腔Q 值[63,139].此外,基片表面的雜質(zhì)與生長(zhǎng)鈮薄膜之間的過(guò)渡層也會(huì)形成微波損耗,故要進(jìn)一步提高樣品性能以達(dá)到“state-of-the-art”的滿意度,還需要在生長(zhǎng)金屬之前對(duì)基片進(jìn)行仔細(xì)的處理[81].如上文所述,基片處理的方法主要有兩種,一種是對(duì)生長(zhǎng)鈮膜前的硅基片進(jìn)行化學(xué)腐蝕清洗并對(duì)生長(zhǎng)鈮膜后的硅基片再進(jìn)行過(guò)刻蝕[81],另一種是在生長(zhǎng)金屬前對(duì)藍(lán)寶石基片進(jìn)行化學(xué)腐蝕清洗與高溫退火[42,82].

與金屬鈮同族的金屬鉭擁有成膜表面粗糙度低和材料動(dòng)力電感低的特點(diǎn)[83],因而可降低材料中準(zhǔn)粒子產(chǎn)生概率,而且鉭與其他金屬相比有較低的濕蝕刻速率和更好的對(duì)氧化物的蝕刻選擇性,這些特點(diǎn)使鉭基超導(dǎo)量子比特有希望擁有更好的性能[81].鉭與鈮的相似性使得在鈮基器件上積累有益經(jīng)驗(yàn)可以有效地用于制備鉭基的超導(dǎo)量子比特,不同研究單位經(jīng)過(guò)上文所述的精細(xì)基片處理、精確控制鉭膜生長(zhǎng)條件、仔細(xì)清除鉭膜表面的氧化物等工藝步驟所制備的鉭基超導(dǎo)量子比特的能量弛豫時(shí)間已經(jīng)達(dá)到亞毫秒量級(jí)且有進(jìn)一步提升的可能[42,82].

此外,在進(jìn)行超導(dǎo)量子芯片擴(kuò)展的過(guò)程中,在單個(gè)平面內(nèi)形成二維列陣將導(dǎo)致布線困難,復(fù)雜的布線設(shè)計(jì)也有可能產(chǎn)生較大的損耗,采用多層工藝解決布線問(wèn)題是一個(gè)較好的解決方法.但在超導(dǎo)量子電路中,該多層工藝中間的介質(zhì)層又將引起顯著的退相干.解決上述問(wèn)題的方法來(lái)源于半導(dǎo)體中的倒裝焊工藝,該工藝通過(guò)將器件分離到兩個(gè)獨(dú)立的芯片上,然后通過(guò)芯片間的超導(dǎo)互連(銦點(diǎn)倒裝焊)完成超導(dǎo)量子芯片的三維立體封裝.現(xiàn)行的三維立體封裝工藝由TiN on Al+Indium bump 組成,TiN 在其中作為UBM(under bump metal)層,起銦、鋁互溶反應(yīng)阻隔層作用[140].值得注意的是鈮和TiN 類似,與銦沒(méi)有互溶互擴(kuò)散問(wèn)題,因此利用鈮為基底的超導(dǎo)量子比特可以省去TiN 阻隔層的制備.

4.4 鈮基約瑟夫森參量放大器

以金屬鈮為基底多層膜工藝的另一個(gè)具體的應(yīng)用是在超導(dǎo)多量子比特系統(tǒng)量子態(tài)單發(fā)測(cè)量所需的約瑟夫森參數(shù)放大器(JPA)[47,141-144].在該類器件的研究中,采用了S1813 光刻膠與LOR2A光刻膠雙層膠工藝在鈮膜基底上制備了可實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)連接的阻抗變換器,另外熱蒸發(fā)制備的氟化鈣絕緣層在極低溫環(huán)境下工作狀態(tài)良好.測(cè)試結(jié)果表明,利用該工藝所制備的JPA 帶寬高達(dá)600 MHz,有效增益超過(guò)15 dB,最大有效增益24 dB,噪聲溫度接近量子極限,長(zhǎng)期的使用反映出其各項(xiàng)性能的優(yōu)良水平和良好的穩(wěn)定性,實(shí)驗(yàn)制備的器件與測(cè)試結(jié)果如圖10 所示.將其用于超導(dǎo)量子比特單發(fā)測(cè)量的結(jié)果表明,其使用后量子比特基態(tài)和第一激發(fā)態(tài)的信噪比約為3,讀出保真度分別高于97%和91%[41],可以供10—20 個(gè)超導(dǎo)量子比特同時(shí)測(cè)量,其在同類器件中擁有較高的性能水平.近年來(lái),多個(gè)課題組也報(bào)道了相關(guān)的進(jìn)展,以鋁膜為基底制備的寬帶JPA 分別取得了帶寬200 MHz,有效增益14 dB 以上[145]、帶寬300 MHz,有效增益17 dB[146],640 MHz 帶寬和20 dB 增益[147]的良好性能.包括約瑟夫森結(jié)在內(nèi)的全鈮材料寬帶JPA 達(dá)到帶寬190 MHz,最大有效增益20 dB[148].在另外一項(xiàng)工作中,研究者實(shí)現(xiàn)了一種更簡(jiǎn)便的制備方案,在該方案中經(jīng)過(guò)對(duì)傳輸線和非線性諧振器中電容器上板的重新設(shè)計(jì)提高了制備電容的質(zhì)量,且可以避免電容器的上板和地電極之間可能產(chǎn)生的對(duì)準(zhǔn)偏差,從而降低了該器件對(duì)制備工藝的要求.該方案所制備的樣品在精確的調(diào)節(jié)參數(shù)后可以達(dá)到帶寬400 MHz,有效增益17 dB,噪聲接近量子極限的水準(zhǔn)[149].

圖10 (a)鈮基JPA 光學(xué)照片;(b)增益與(c)噪聲溫度隨頻率的關(guān)系 [41]Fig.10.(a) False-colored optical photograph of Nb-based JPA device;(b) frequency dependences of the device gain and noise temperature (c) [41].

值得注意的是,行波參量放大器(TWPA)[150]與約瑟夫森行波參量放大器(JTWPA)[151]是一種擁有更大帶寬的約瑟夫森參數(shù)放大器設(shè)計(jì).基于約瑟夫森結(jié)傳輸線的超導(dǎo)放大器,這種行波結(jié)構(gòu)能夠在GHz 量級(jí)的帶寬上獲得高增益.有報(bào)道指出,利用鈮基制備的約瑟夫森行波放大器在3 GHz 的帶寬范圍內(nèi)獲得了20 dB 的增益,可以供20 個(gè)量子比特讀出使用[152].利用單一放大器放大20 個(gè)量子比特是實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)這一長(zhǎng)期目標(biāo)路上的重要進(jìn)展.

5 總結(jié)與展望

過(guò)去的二十多年各國(guó)科學(xué)界對(duì)超導(dǎo)量子計(jì)算和量子信息進(jìn)行了深入的研究,尤其是量子優(yōu)勢(shì)的實(shí)現(xiàn)使人們真切地看到了針對(duì)某些特定的問(wèn)題,超導(dǎo)多量子比特處理器可以遠(yuǎn)超目前最強(qiáng)大算力的經(jīng)典計(jì)算機(jī)[68,153,154].此外,針對(duì)各種物理問(wèn)題的超導(dǎo)量子模擬研究也取得了豐富的成果[6-16,155].為了今后超導(dǎo)量子計(jì)算進(jìn)一步解決更廣闊更復(fù)雜的物理、化學(xué)等學(xué)科的問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)各類特定問(wèn)題的量子模擬和量子計(jì)算,以及最終實(shí)現(xiàn)普適的量子計(jì)算機(jī),超導(dǎo)量子比特在制備工藝上正朝著數(shù)目更多、量子相干時(shí)間更長(zhǎng)的目標(biāo)邁進(jìn).圍繞上述目標(biāo),國(guó)際上對(duì)超導(dǎo)量子比特的制備工藝進(jìn)行了持續(xù)和積極的探索,研究表明,不同金屬材料的采用、基片的預(yù)處理、薄膜的生長(zhǎng)環(huán)境、圖形的制備過(guò)程等具體因素都會(huì)影響所制備的超導(dǎo)量子比特的性能.

本文首先回顧了不同的超導(dǎo)量子比特的設(shè)計(jì)方案與特征,介紹了超導(dǎo)量子比特的基本工作原理,繼而著重討論、歸納了以金屬鈮膜為首層材料的超導(dǎo)量子比特及其輔助器件的制備工藝.雖然目前對(duì)于超導(dǎo)量子比特器件的設(shè)計(jì)與制備工藝已經(jīng)有了非常廣泛且深入的研究,人們追求更長(zhǎng)的量子相干時(shí)間以及更多超導(dǎo)量子比特?cái)?shù)目的目標(biāo)使對(duì)超導(dǎo)量子比特制備方法和工藝的進(jìn)一步研究仍具有很強(qiáng)的迫切性.詳細(xì)討論了鈮基超導(dǎo)量子比特制備工藝的細(xì)節(jié)和發(fā)展思路,為相關(guān)的進(jìn)一步研究提供了可參考的信息與方向.目前我國(guó)超導(dǎo)量子計(jì)算正處于高速發(fā)展時(shí)期,隨著我國(guó)量子優(yōu)勢(shì)的實(shí)現(xiàn)[156],超導(dǎo)量子芯片的規(guī)模已突破50—60 個(gè)量子比特,正朝著100 個(gè)量子比特的水平推進(jìn).與此同時(shí),采用3D 封裝技術(shù)以降低信號(hào)串?dāng)_和向更多比特?cái)?shù)方向發(fā)展,進(jìn)一步改善器件的量子相干時(shí)間,以及提高量子信息處理和讀出的保真度等方面的研究也正不斷取得進(jìn)展,可以相信超導(dǎo)量子計(jì)算的研究在未來(lái)的幾年內(nèi)將會(huì)出現(xiàn)更大的發(fā)展與突破.以鈮膜和鉭膜為基底的工藝可以滿足高性能超導(dǎo)量子比特以及各類輔助器件的制備,在后續(xù)研究中應(yīng)擁有廣闊的發(fā)展空間.

感謝北京量子信息科學(xué)院于海峰研究員的有益討論。