量子计算机有望极大地影响选定的应用领域，包括材料合成、药物开发和网络安全等。
在计算的量子电路模型中，量子逻辑门（或简称量子门）是对少量量子比特的基本操作，类似于传统数字电路的经典逻辑门。量子比特是量子电路的组成部分。具有不同类型的量子比特的不同量子计算平台正在开发中，并且全球范围内正在努力将它们从实验室带到世界各地。
量子计算有前途的技术之一是利用超导电路。IMEC 量子计算高级研究员 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。这实现了越来越高水平的纠缠，这是量子计算的支柱之一。最重要的是，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100 μs）和足够高的门保真度——这是量子计算的两个重要基准。”
虽然相干时间为我们提供了量子比特保留其量子态多长时间（以及因此而保留其信息）的信息，但门保真度量化了量子硬件中理想门和相应物理门之间的操作差异。
可变性问题阻碍了大规模实施
到目前为止，上述令人鼓舞的结果仅在实验室规模上获得，使用双效蒸发和剥离技术制造最关键的元件：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， 和 的叠加。为了最大限度地减少任何能量损失，或者在换句话说，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。这就是为什么双效蒸发和剥离是首选的制造技术：它们可以提供这些极其清洁的界面。”
但这些制造技术有一个严重的缺点：它们挑战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，因此限制了量子比特改进的潜力。
使用 CMOS 兼容制造技术的替代方法
Jeroen Verjauw，博士 IMEC 的研究人员说：“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，因为这可以利用所提供的可靠性和可重复性通过最先进的 CMOS 处理步骤来控制可变性并促进放大。”
重叠结有两个电极（底部 (BE) 和顶部 (TE)），由薄绝缘层隔开。电极在两个图案化循环中定义，中间有真空中断。断裂引入了天然金属氧化物的不受控制的生长，必须在所谓的 Ar 铣削步骤中将其去除。“然而，众所周知，这个 Ar 铣削步骤非常关键，并且之前曾有报道称它会引入不必要的能量损失，”Jeroen Verjauw 补充道。
图1：重叠连接的横截面图。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）。由于减法蚀刻步骤，可能存在侧壁残留物。绿色层代表 Ar 铣削引起的损坏的非晶硅层。
图2：（左）量子位能量弛豫测量和（右）平均门保真度和每个门的平均误差。
相干时间高达 100 µs，门保真度为 99.94%
IMEC 的研究员 Tsvetan Ivanov 说：“我们已经在实验室证明了超导量子位的相干时间超过 100 µs，平均单量子位门保真度为 99.94%。这些结果可与最先进的设备相媲美，但是，这是第一次使用与 CMOS 兼容的制造技术获得，例如最先进的溅射沉积和减法蚀刻。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（以及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。”
下一步：300 mm 制造，减少损失并解决再现性问题
迄今为止，我们在 NPJ Quantum Information 中描述的实验仅在实验室环境中的基板试片上实现。Tsvetan Ivanov：“然而，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。”
Jeroen Verjauw：“此外，我们设计了我们的测试车辆，以便我们可以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，因为它通过应用更多专用的表面处理步骤为优化留下了空间。最后，我们的制造方法提供了一条在大晶片区域上制造可重复量子比特的途径，例如量子比特频率的变化很小。”
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：“与例如半导体自旋量子比特（nm 大小）相比，超导量子比特仍然相对较大（mm 大小）。我们研究如何进一步缩小设备。在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，并开发量子纠错协议。最重要的是，我们的社区需要可扩展，校准良好的仪器可以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。”
结论与展望
IMEC 量子计算项目总监 Kristiaan De Greve 认为，Anton、Tsvetan、Jeroen 及其同事的这项工作是一个重要的里程碑，借助工业标准处理方法的控制和准确性优势，他们能够克服超导量子比特升级的基本障碍:“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，克服易变性和低产量的限制将是至关重要的。因此，IMEC在了解这些限制和基准测试方面投入了大量资金，并引入了利用我们在先进过程控制方面的经验的新颖解决方案。”
IMEC 量子计算项目经理 Danny Wan 补充说：“在 IMEC 的量子计算项目中，我们的科学家已经为自己设定了挑战，将量子计算（基于半导体和超导基础）从实验室带到世界各地。《npj Quantum Information》中描述的研究结果非常令人鼓舞，并证实我们在追求使命的过程中走在正确的轨道上。”‘
原文链接：https://phys.org/news/2022-08-high-quality-superconducting-qubits-fabricated-cmos-compatible.html
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