實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)量子比特芯片的微納加工方法

摘 要 近年來(lái)隨著各個(gè)科技強(qiáng)國(guó)和科技巨頭企業(yè)的高度重視，超導(dǎo)量子計(jì)算技術(shù)發(fā)展迅速，在不到10年的時(shí)間內(nèi)單個(gè)超導(dǎo)量子比特的退相干時(shí)間增長(zhǎng)了5個(gè)數(shù)量級(jí)，從納秒提高到了百微秒的量級(jí)，并有望提高到毫秒量級(jí)甚至秒的量級(jí)。超導(dǎo)量子比特芯片的制備是實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)量子計(jì)算的基礎(chǔ)，作為“物理前沿介紹———超導(dǎo)量子計(jì)算”系列的第六篇，本文系統(tǒng)闡述制備超導(dǎo)量子比特及其輔助器件芯片的微納加工方法，并對(duì)制備方法的發(fā)展趨勢(shì)作展望。通過(guò)本文，旨在幫助廣大高校物理專(zhuān)業(yè)教師、高年級(jí)本科生、研究生以及對(duì)超導(dǎo)量子計(jì)算感興趣的理工科背景讀者系統(tǒng)了解實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)量子比特芯片的微加工方法與工藝，全面地、實(shí)物化地理解超導(dǎo)量子計(jì)算技術(shù)。

關(guān)鍵詞 超導(dǎo)量子比特;約瑟夫森結(jié);空氣橋

2021年9月，在慶祝楊振寧先生百年誕辰的大會(huì)上，中國(guó)科學(xué)院院士、北京量子信息科學(xué)院院長(zhǎng)向濤講道：“現(xiàn)在量子計(jì)算的方案很多，粗略地可分為固態(tài)方案和非固態(tài)方案。非固態(tài)方案包括離子阱量子計(jì)算、光子量子計(jì)算等。但是，量子計(jì)算要真正做到大規(guī)模和集成化，固態(tài)方案從技術(shù)角度看可行性是最高的?，F(xiàn)在并不知道量子計(jì)算能解決多少問(wèn)題，其研究狀態(tài)和剛剛發(fā)明計(jì)算機(jī)的時(shí)候很相似。在計(jì)算機(jī)剛出現(xiàn)的時(shí)候，我相信沒(méi)人能想到它能夠成為改變?nèi)祟?lèi)生活方式的一項(xiàng)偉大發(fā)明。量子計(jì)算技術(shù)可能是再次改變?nèi)祟?lèi)生活方式的一項(xiàng)技術(shù)，因?yàn)樗挠?jì)算能力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于現(xiàn)在基于半導(dǎo)體芯片的計(jì)算技術(shù)。假設(shè)能夠?qū)崿F(xiàn)，100個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力就會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于現(xiàn)在全世界所有計(jì)算機(jī)加起來(lái)的計(jì)算能力。因此可以想象，如果這樣的技術(shù)一旦出現(xiàn)，我們的社會(huì)將發(fā)生根本性變化。”

目前，向濤院士站在時(shí)代前沿所預(yù)見(jiàn)的社會(huì)變化已經(jīng)初見(jiàn)苗頭，諸多傳統(tǒng)行業(yè)的國(guó)際商業(yè)巨頭已經(jīng)將目光對(duì)準(zhǔn)了量子計(jì)算技術(shù)，例如寶馬公司宣稱(chēng)將利用量子計(jì)算進(jìn)行汽車(chē)的設(shè)計(jì)與制造、現(xiàn)代汽車(chē)將通過(guò)量子計(jì)算進(jìn)行物體檢測(cè)、西門(mén)子將利用量子計(jì)算增強(qiáng)開(kāi)發(fā)解決方案、勃林格殷格翰將通過(guò)量子計(jì)算進(jìn)行藥物研發(fā)、渣打銀行將通過(guò)量子計(jì)算探索投資組合優(yōu)化……這些事實(shí)增加了我國(guó)在全球量子計(jì)算競(jìng)賽中取得突破的緊迫性。如向濤院士所言，量子計(jì)算的固態(tài)方案最有可能做到普適的量子計(jì)算，而超導(dǎo)量子計(jì)算方案在固態(tài)方案中因?yàn)槠溆幸讛U(kuò)展、易操控、制備方法易于工業(yè)化等方面的優(yōu)勢(shì)[1]，研究比例占全球量子計(jì)算研究的近1/3，很有希望率先實(shí)現(xiàn)普適量子計(jì)算。

作為“物理前沿介紹———超導(dǎo)量子計(jì)算”系列的第六篇，本文將在前文的基礎(chǔ)上按照超導(dǎo)量子比特及其輔助器件芯片制備的程式化順序，從芯片基片選擇和前處理、基底金屬薄膜生長(zhǎng)、超導(dǎo)電路圖形轉(zhuǎn)移與刻蝕、約瑟夫森結(jié)的制備等方面系統(tǒng)討論超導(dǎo)量子比特及其輔助器件芯片的微納加工方法，為廣大高校物理專(zhuān)業(yè)教師、高年級(jí)本科生、研究生以及對(duì)超導(dǎo)量子計(jì)算感興趣的理工科背景讀者提供一個(gè)可借鑒的清晰圖景，同時(shí)也為傳統(tǒng)半導(dǎo)體芯片制造業(yè)的讀者了解超導(dǎo)量子比特芯片制備方法，實(shí)現(xiàn)技術(shù)互通有一定的幫助。

1 基片的選擇以及前處理

超導(dǎo)量子計(jì)算的國(guó)際權(quán)威專(zhuān)家J.M.Martinis與其團(tuán)隊(duì)在他們超導(dǎo)量子計(jì)算的階段性匯報(bào)文章[2]中對(duì)芯片底層基片的介電損耗、約瑟夫森結(jié)與超導(dǎo)電路結(jié)構(gòu)損耗、芯片器件輻射損耗等進(jìn)行了詳細(xì)的研究。研究結(jié)果明確表示高阻硅和藍(lán)寶石這兩種材質(zhì)基片的介電損耗相較于其他常用材料而言是最小的，且利用這兩種材料為基片所制備的超導(dǎo)量子比特芯片擁有更好的性能，基于上述理由至今在超導(dǎo)量子比特芯片的主流工藝中仍選取這兩種材料作為基片使用。

在選定基片材料之后，首先要對(duì)基片表面進(jìn)行細(xì)致的前處理。前處理基片表面的方法與傳統(tǒng)半導(dǎo)體芯片制備工藝類(lèi)似，大體可以分為化學(xué)處理方法（蝕刻、鈍化等）和物理處理方法（離子銑削、熱處理等）兩類(lèi)。具體來(lái)說(shuō)，為了去除基片表面因基片轉(zhuǎn)移等步驟引入的有機(jī)物等雜質(zhì)，常用的前處理工藝是以分析純級(jí)的丙酮溶液、異丙醇溶液、去離子水為工作液體對(duì)基片進(jìn)行5～10分鐘的超聲清洗[3]。此后，為進(jìn)一步去除高阻硅與藍(lán)寶石基片上附著更牢固的氧化層，可用氫氟酸（HF）對(duì)所選基片進(jìn)行漂洗[4]，或者利用“食人魚(yú)”試劑（雙氧水溶液與濃硫酸以1∶2的體積比混合）于120℃下靜置浸泡基片10～20分鐘。此外用1∶1∶5體積比的NH4OH∶H2O2∶H2O混合液于75℃環(huán)境中靜置10分鐘再利用1%濃度的HF清洗基片也可獲得類(lèi)似效果[5]。此后，利用六甲基二硅氮（HDMS）對(duì)硅基片表面進(jìn)行鈍化可以使之形成納米量級(jí)厚度的疏水薄膜，該薄膜可以有效減少硅基片與后續(xù)生長(zhǎng)在其上的金屬薄膜間的界面損失，從而使制備的超導(dǎo)量子比特芯片擁有更高的諧振器品質(zhì)因子[6]。

對(duì)于藍(lán)寶石基片來(lái)說(shuō)，除了需要上述的前清理之外，為提高基片與金屬薄膜層之間界面的接觸質(zhì)量，在基片上生長(zhǎng)金屬薄膜之前還應(yīng)對(duì)藍(lán)寶石基片進(jìn)行200～1000℃的加熱退火[7]。值得注意的是，雖然高溫加熱也可以減少硅基片表面的氧化污染物[8]，但需要注意高于950℃的溫度將明顯增加硅基片表面的粗糙度，增加器件的損耗，因此在選用硅基片時(shí)需要精確的控制加熱溫度。

2 金屬薄膜的生長(zhǎng)與特性

超導(dǎo)量子比特芯片基底的超導(dǎo)電路由超導(dǎo)薄膜組成，目前制備工藝中常用的超導(dǎo)薄膜為高純金屬單質(zhì)或金屬化合物[9]，由于金屬薄膜中的雜質(zhì)和缺陷對(duì)芯片的性能有明顯的負(fù)面影響，因此金屬薄膜的材料選擇與生長(zhǎng)是超導(dǎo)量子比特芯片整個(gè)制備中的關(guān)鍵一環(huán)。目前常用的金屬以及金屬化合物薄膜生長(zhǎng)方法有超高真空磁控濺射生長(zhǎng)、分子束外延生長(zhǎng)與電子束蒸發(fā)生長(zhǎng)三種。一般來(lái)說(shuō)，超高真空磁控濺射生長(zhǎng)既可以生長(zhǎng)金屬單質(zhì)薄膜也可以生長(zhǎng)金屬化合物薄膜，而分子束外延生長(zhǎng)與電子束蒸發(fā)生長(zhǎng)一般用于金屬單質(zhì)薄膜的生長(zhǎng)制備[10]。

由于對(duì)鋁薄膜制備研究起步較早，目前90%以上的超導(dǎo)量子比特芯片基底金屬薄膜材料為鋁單質(zhì)[11-15]。在微納加工中生長(zhǎng)金屬鋁的工藝較多，這些工藝各有優(yōu)劣，例如電子束蒸發(fā)工藝可以產(chǎn)生均勻性與致密性良好的平坦薄膜，但生長(zhǎng)的速度比物理或化學(xué)氣相沉積慢得多，且對(duì)蒸發(fā)過(guò)程中坩堝中金屬鋁的預(yù)處理要求較高。

隨著超導(dǎo)量子比特芯片性能的不斷進(jìn)步[16]，研究者注意到由于鋁單質(zhì)的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度在1.2K左右，其較低的超導(dǎo)能隙使之易于受到外界測(cè)量環(huán)境的噪聲影響，因此這種金屬鋁的內(nèi)在特性有可能限制了超導(dǎo)量子比特芯片性能的提高[17]。目前一些研究者將目光轉(zhuǎn)移到了超導(dǎo)物理中另一種人們熟悉的材料———金屬鈮上，鈮單質(zhì)的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度在9.2K左右，而且具有很高的臨界磁場(chǎng)，對(duì)比鋁單質(zhì)的特性，應(yīng)用金屬鈮為基底制備超導(dǎo)量子比特有可能解決金屬鋁存在的一些固有問(wèn)題[18]，從而從根本限制上提高超導(dǎo)量子比特芯片的性能。在實(shí)際微納加工過(guò)程中，一般采用超高真空磁控濺射的方法生長(zhǎng)鈮單質(zhì)薄膜[19]，該方法可以獲得均勻性好、純凈度高、超導(dǎo)臨界溫度與塊材基本一致的金屬鈮薄膜。

由于上述優(yōu)點(diǎn)，研究人員對(duì)生長(zhǎng)金屬鈮薄膜的磁控濺射工藝條件進(jìn)行了多樣的探索，有效地提高所生長(zhǎng)金屬鈮薄膜的質(zhì)量，例如在磁控濺射過(guò)程中利用短、高功率脈沖（high-power impulsemagnetron sputtering，即HiPIMS 工藝）取代傳統(tǒng)磁控濺射過(guò)程中的穩(wěn)恒射頻電壓可生長(zhǎng)出更加致密的鈮單質(zhì)薄膜[20]，此外在磁控濺射生長(zhǎng)鈮單質(zhì)薄膜過(guò)程中控制環(huán)境溫度達(dá)到550℃以上也可以有效的提升鈮單質(zhì)薄膜的剩余電阻比（超導(dǎo)特性）。

近年來(lái)，與金屬鈮同為VB 族金屬的金屬鉭（Ta），越來(lái)越多的引起人們的重視。鉭單質(zhì)除具有相對(duì)較高的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度（Tc =4.5K）外，置于空氣環(huán)境中的金屬鉭薄膜表面形成的氧化物比同條件下金屬鈮表面形成的氧化物擁有更穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)[21]?？紤]到鈮的金屬氧化物對(duì)超導(dǎo)量子比特芯片性能有顯著的負(fù)面作用[22]，將鉭單質(zhì)用于超導(dǎo)量子比特芯片的制備可以進(jìn)一步提高超導(dǎo)量子比特芯片的性能。生長(zhǎng)金屬鉭單質(zhì)薄膜的方法與生長(zhǎng)金屬鈮單質(zhì)薄膜的方法相同，均采用磁控濺射的方法，但在生長(zhǎng)過(guò)程中需要精確控制生長(zhǎng)環(huán)境的溫度以盡可能去除成膜過(guò)程中出現(xiàn)的對(duì)超導(dǎo)量子比特芯片性能有負(fù)面影響的β 晶相薄膜[23]。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果確實(shí)令人感到振奮，目前在藍(lán)寶石基片上生長(zhǎng)鉭單質(zhì)金屬薄膜基底的超導(dǎo)量子比特能量弛豫時(shí)間可以達(dá)到文獻(xiàn)所報(bào)道過(guò)最高量級(jí)[24]。

最后需要指出，金屬薄膜因不均勻生長(zhǎng)而出現(xiàn)的應(yīng)力引起的形變會(huì)改變超導(dǎo)量子比特和TLS（two-level systems）之間的相互作用，從而引起退相干對(duì)超導(dǎo)量子比特的性能產(chǎn)生負(fù)面的影響[25，26]。一般通過(guò)對(duì)比金屬薄膜的超導(dǎo)臨界溫度Tc 與同材料標(biāo)準(zhǔn)Tc 的差別來(lái)金屬薄膜中是否存在應(yīng)力[27]，再根據(jù)應(yīng)力的分布情況反饋回磁控濺射的實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)調(diào)節(jié)磁控濺射的實(shí)驗(yàn)參數(shù)來(lái)減少這種應(yīng)力。

3 圖形的轉(zhuǎn)移

由于金屬薄膜的邊緣存在較大的電場(chǎng)強(qiáng)度分布與TLS，超導(dǎo)電路金屬薄膜邊緣的粗糙度對(duì)超導(dǎo)量子比特芯片性能的好壞起關(guān)鍵的限制[28]，因此在生長(zhǎng)好的金屬薄膜上進(jìn)行理想的圖形轉(zhuǎn)移是超導(dǎo)量子比特芯片制備過(guò)程中的另一個(gè)重要步驟。目前圖形轉(zhuǎn)移微納加工方法是光刻，光刻方法又可以細(xì)分為掩模紫外光刻、激光直寫(xiě)（DWL）、電子束曝光（EBL）三類(lèi)。其中電子束曝光的精度最高，而掩模紫外光刻的光刻時(shí)間最短，近年來(lái)發(fā)展成熟的激光直寫(xiě)系統(tǒng)（DWL）兼?zhèn)涓呔?、高時(shí)效且可兼容多種光刻膠（S18××系列、LOR系列、SPR 系列、AZ系列等）等特點(diǎn)。利用直徑為2mm 的激光直寫(xiě)寫(xiě)頭（海德堡公司的DWL 66+系統(tǒng)）可達(dá)到200nm 上下的圖形精度，滿足了制備超導(dǎo)量子比特圖形轉(zhuǎn)移的工藝要求，因激光直寫(xiě)工藝兼?zhèn)涠喾N優(yōu)勢(shì)，其在目前的超導(dǎo)量子比特芯片制備中得到了廣泛的應(yīng)用。

光刻結(jié)束后需要對(duì)金屬薄膜進(jìn)行刻蝕來(lái)最終實(shí)現(xiàn)圖形轉(zhuǎn)移（圖形轉(zhuǎn)移的整體過(guò)程示意圖如圖1所示），刻蝕工藝通?？梢苑譃楦煞涛g與濕法刻蝕兩種。干法刻蝕具有穩(wěn)定好，可重復(fù)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但其往往需要獨(dú)立的刻蝕儀器系統(tǒng)支持，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。另一方面，濕法刻蝕所需的儀器設(shè)備簡(jiǎn)單，但工藝效果受外界環(huán)境因素影響大，工藝的穩(wěn)定性與可重復(fù)性相較于干法刻蝕都略顯不足。在實(shí)際的微納加工過(guò)程中，一般結(jié)合實(shí)驗(yàn)精度要求選擇毒性低、精度可滿足要求的工藝。例如選用化學(xué)濕法腐蝕刻蝕金屬鋁，雖然工藝條穩(wěn)定相對(duì)較低但可以避免干法刻蝕工藝所需的劇毒氣體———氯氣[29]，而金屬鈮則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[30]。在目前可實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方案內(nèi)，將上文中所討論的激光直寫(xiě)技術(shù)與干法刻蝕工藝結(jié)合，可以將所制備的鈮金屬薄膜圖形邊沿起伏控制在30nm 上下，實(shí)現(xiàn)在圖形轉(zhuǎn)移的過(guò)程中的較為理想保真度[30]。

4 約瑟夫森結(jié)的制備

制備超導(dǎo)量子比特的核心部件是約瑟夫森結(jié)[31]，在目前的主流工藝中約瑟夫森結(jié)采用如圖2所示的Dolan橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[32]，具體實(shí)現(xiàn)約瑟夫森結(jié)的Dolan橋結(jié)構(gòu)微納加工工藝為如圖3所示的PMMA/MMA 多層電子束光刻膠曝光搭配變角度電子束金屬蒸發(fā)工藝?？紤]到金屬鋁的氧化物薄膜致密性好、硬度高、鈍化強(qiáng)而且工藝可形成的氧化物薄膜厚度處于適合庫(kù)珀對(duì)隧穿的范圍內(nèi)，不論芯片的基底金屬是否為金屬鋁，均使用金屬鋁以及鋁的氧化物來(lái)實(shí)現(xiàn)約瑟夫森結(jié)的制備。

從物理上來(lái)說(shuō)，約瑟夫森結(jié)的特性是由超導(dǎo)體之間的弱連接層所決定的，因此在實(shí)現(xiàn)約瑟夫森結(jié)的過(guò)程中需要精確地控制金屬鋁薄膜上氧化層的厚度。一般來(lái)說(shuō)金屬鋁薄膜上的氧化物薄膜的生長(zhǎng)速率與所處生長(zhǎng)環(huán)境溫度、氧氣的壓強(qiáng)和氧化的時(shí)間之間有著復(fù)雜的函數(shù)關(guān)系。在室溫情況下，金屬鋁薄膜上氧化層形成的過(guò)程中由于金屬費(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，所以氧化層生長(zhǎng)的初期生長(zhǎng)速率會(huì)較大，隨著氧化層的生長(zhǎng)，由于隧穿電流隨著氧化薄膜厚度的增加而指數(shù)性的減小，這個(gè)驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)也會(huì)隨之減小，氧化層生長(zhǎng)逐漸變慢，直到當(dāng)驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)不足以使13金屬的傳導(dǎo)電子穿過(guò)化學(xué)勢(shì)壘時(shí)氧化層將停止生長(zhǎng)并達(dá)到極限厚度[33]。安貝戈卡與巴拉托夫（Ambegaokar，Baratof）利用格林函數(shù)計(jì)算了約瑟夫森結(jié)系統(tǒng)的特性，得到了Ambegaokar—Baratof公式[34]

其中，Js 為約瑟夫森臨界電流密度，Rn 為常溫電阻，Δ1 與Δ2 分別是約瑟夫森結(jié)兩邊超導(dǎo)體的能隙（其中Δ1 為較小能隙），在實(shí)驗(yàn)中當(dāng)約瑟夫森結(jié)兩邊的超導(dǎo)體材料相同時(shí)，可以得到k（0）=π／2，也就是說(shuō)在超導(dǎo)量子比特芯片的制備中

式（2）提供了一個(gè)室溫下正常態(tài)的隧穿電阻（Rn ）與約瑟夫森結(jié)臨界電流密度Js 的關(guān)系，因此在實(shí)驗(yàn)中利用Ambegaokar-Baratof公式可以從較易于測(cè)得的約瑟夫森結(jié)室溫電阻來(lái)判斷其特性是否符合實(shí)驗(yàn)需求。

此后，在將約瑟夫森結(jié)制備到超導(dǎo)量子比特芯片上時(shí)，由于先前加工過(guò)程中不可避免地會(huì)在底層金屬表面上引入雜質(zhì)，這些雜質(zhì)會(huì)形成影響超流流動(dòng)的雜散，從而引起超導(dǎo)量子比特的退相干，因此在制備過(guò)程中一般需要在生長(zhǎng)約瑟夫森結(jié)前利用氬離子或氬氧混合離子束轟擊超導(dǎo)電路對(duì)應(yīng)位置（離子銑工藝）以消這些除雜質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)約瑟夫森結(jié)與超導(dǎo)電路地電極金屬之間的超導(dǎo)連接。但是需要注意的是過(guò)大的離子銑功率可能會(huì)引起光刻膠變性從而影響后續(xù)的制備工藝。

進(jìn)一步的系統(tǒng)研究表明由約瑟夫森結(jié)引起的超導(dǎo)量子比特器件噪聲中有約40%位于如圖4所示的因雙角度蒸發(fā)工藝形成的寄生結(jié)內(nèi)，其余60%的缺陷在離子銑工藝后仍位于約瑟夫森結(jié)與底層金屬電極的對(duì)應(yīng)位置上，而約瑟夫森結(jié)本身基本不貢獻(xiàn)引起器件噪聲的缺陷[35]?；谝陨鲜聦?shí)，可以通過(guò)改善約瑟夫森結(jié)與基底金屬的連接設(shè)計(jì)來(lái)減少上述缺陷。如圖5所示為兩種新設(shè)計(jì)的約瑟夫森結(jié)與基底金屬薄膜連接方式，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)實(shí)經(jīng)過(guò)這種設(shè)計(jì)改良之后的芯片性能均有一定的提升[35，36]。

5 多比特芯片跨線的制備

隨著超導(dǎo)量子計(jì)算的不斷發(fā)展，同一芯片上的超導(dǎo)量子比特?cái)?shù)目不斷增多，但是隨著數(shù)目的不斷增加，共用地電極的多量子比特之間不可避免地會(huì)出現(xiàn)相互的串?dāng)_，這種串?dāng)_將會(huì)影響對(duì)特定超導(dǎo)量子比特的精確操控。解決串?dāng)_問(wèn)題的一個(gè)方法是在芯片的不同區(qū)域之間制備金屬跨線將分離的地電極端連接起來(lái)，從而使各個(gè)超導(dǎo)量子比特更好的接地。這種跨線的搭建工藝可以大致分為兩種，一種是多層膜疊加工藝[10]，一種是空氣橋（air bridge）跨導(dǎo)工藝[37]。

多層膜疊加工藝是在基片上的第一層金屬上的指定位置依次制備特定形狀的絕緣薄膜層和金屬薄膜層，以保證諧振腔不短路的情況下將不同區(qū)域的地電極做等電勢(shì)連接。而空氣橋工藝（圖6）則將多層膜工藝中的絕緣層薄膜替換為特定的工藝光刻膠，最后將光刻膠去掉，完成懸空金屬橋的搭建。較之多層膜疊加工藝，空氣橋工藝的一大優(yōu)勢(shì)是消除了多層膜疊加工藝中疊放在諧振腔上的絕緣薄膜層在諧振腔中形成的介電損耗。但大量的空氣橋也可能會(huì)改變超導(dǎo)電路的結(jié)構(gòu)，使諧振腔的特性與品質(zhì)因子偏離設(shè)計(jì)[38]引起結(jié)構(gòu)損耗，也就是說(shuō)空氣橋雖然可以解決多層膜疊加工藝中絕緣層的介電損耗問(wèn)題，但實(shí)際上與空氣橋分布、數(shù)目、尺寸等相關(guān)的結(jié)構(gòu)損耗仍然可能存在，而這種結(jié)構(gòu)性的損耗也會(huì)給超導(dǎo)量子芯片帶來(lái)負(fù)面的影響。

6 Xmon量子比特

在全球的超導(dǎo)量子計(jì)算競(jìng)賽中取得優(yōu)勝的關(guān)鍵是更長(zhǎng)的超導(dǎo)量子比特芯片相干時(shí)間與同芯片上更多的比特?cái)?shù)目，從上面的討論可以看到由材料本身缺陷引起的各類(lèi)損耗是導(dǎo)致超導(dǎo)量子比特芯片退相干的一個(gè)主要原因[39]，隨著芯片上超導(dǎo)量子比特?cái)?shù)目的增加這些損耗帶來(lái)的負(fù)面影響顯得更加明顯。與此同時(shí)，由于對(duì)超導(dǎo)量子比特的測(cè)控主要依賴(lài)于微波，因此在極低溫背景環(huán)境下的單光子功率量級(jí)微波，受到源于基片金屬（S-M）、金屬空氣（M-A）和基片空氣（S-A）界面的兩能級(jí)系統(tǒng)（TLS）缺陷引起的微波損耗嚴(yán)重制約了微波測(cè)控的效果[40]。由于在上述不同材質(zhì)的界面交疊處，實(shí)際的芯片金屬材料與空氣接觸的面積最大，因此生長(zhǎng)在金屬薄膜材料上的天然氧化物是超導(dǎo)電路微波損失的主要貢獻(xiàn)者[41]。以金屬鈮單質(zhì)薄膜超導(dǎo)量子比特芯片為例，可以利用氫氟酸（HF）去除鈮膜表面的有害氧化物，實(shí)驗(yàn)表明該方法的優(yōu)化效果非常明顯，最多可使同一個(gè)器件的微波諧振腔內(nèi)部Q 因子增加7倍（從1×106增加到7×106）[42]。

另一方面，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)利用氮化鈦（TiN）薄膜制備的微波諧振腔擁有較高的Q 值，因此在實(shí)驗(yàn)上初步發(fā)展出了一套利用氮化鈦薄膜防治鈮金屬表面氧化物污染的方法，即在超高真空磁控濺射生長(zhǎng)金屬鈮單質(zhì)薄膜后立即磁控濺射生長(zhǎng)一層較薄的氮化鈦（TiN）薄膜以保護(hù)鈮的表面阻止氧化層的形成，實(shí)驗(yàn)上也取得了良好的效果[43]?？梢钥吹?，由于后期處理時(shí)不可避免地將芯片暴露于空氣中無(wú)法避免處理后的再次污染，想要達(dá)到理想的“State of The Art”超導(dǎo)量子比特芯片制備工藝水平，除了后期清理金屬薄膜表面氧化層外，更重要的一個(gè)方面是如何去在前期抑制氧化層的形成，而這方面的研究還有很多可以去做。

與金屬鈮同為一族的金屬鉭擁有同條件下薄膜表面平整度好、材料自身電感低等特點(diǎn)。從理論上看，這些特點(diǎn)可以進(jìn)一步降低金屬薄膜中準(zhǔn)粒子激發(fā)的概率[44]。而且從工藝上看，鉭與其他常用金屬相比有更低的蝕刻速率，對(duì)氧化物更好的蝕刻選擇比，因此在微納加工過(guò)程中更容易精確掌控[24]。鑒于上述特性，鉭金屬薄膜芯片方案有望在器件性能上取得更大的進(jìn)展。

如圖7所示，中國(guó)科學(xué)院物理研究所利用金屬鈮單質(zhì)薄膜為基底制備的超導(dǎo)量子比特芯片，采用上文中所討論的超高真空磁控濺射生長(zhǎng)高質(zhì)量金屬鈮薄膜，利用激光直寫(xiě)與無(wú)毒干法刻蝕工藝配合，實(shí)現(xiàn)了精度高、穩(wěn)定性好的圖形轉(zhuǎn)移過(guò)程，后續(xù)的雙層電子束光刻膠結(jié)合電子束曝光工藝獲得了性能穩(wěn)定性?xún)?yōu)于90%的多約瑟夫森結(jié)列陣，此外利用特殊的光刻膠去除工藝以100%的成功率制備了千余條空氣橋。系統(tǒng)的測(cè)試表明，該芯片上超導(dǎo)量子比特的最長(zhǎng)能量弛豫時(shí)間達(dá)到了40μs，單量子比特門(mén)操作的保真度可達(dá)99.97%，多比特之間相互串?dāng)_程度小于1%，全部量子比特均可有效相互耦合與獨(dú)立操控。這種優(yōu)良的特性使該器件可以滿足一定規(guī)模超導(dǎo)量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)的要求[19]。

7 結(jié)語(yǔ)

本文按照實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)量子比特芯片的順序討論了其微納加工過(guò)程，對(duì)每一個(gè)步驟的細(xì)節(jié)和工藝特點(diǎn)做了較為詳細(xì)的討論。最后展示了根據(jù)所討論的微納加工方法所制備的超導(dǎo)量子比特芯片，系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)標(biāo)定表明芯片可以滿足一定規(guī)模的超導(dǎo)量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)需求，同時(shí)也證明了本文所討論實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)量子比特芯片微納加工方法的可靠性。

目前超導(dǎo)量子比特芯片上的超導(dǎo)量子比特?cái)?shù)目已經(jīng)達(dá)到110個(gè)以上，如果將如此多的超導(dǎo)量子比特?cái)?shù)目設(shè)計(jì)在一個(gè)平面芯片上，無(wú)疑會(huì)增加芯片的體積從而對(duì)產(chǎn)生極低溫工作環(huán)境的制冷機(jī)提出更高的要求，更重要的是，數(shù)目如此多的超導(dǎo)量子比特需要的測(cè)控超導(dǎo)電路如果設(shè)計(jì)在一個(gè)平面芯片上，它們相互之間的相互干擾將嚴(yán)重地影響測(cè)控，鑒于眾多的量子比特?cái)?shù)目與復(fù)雜的設(shè)計(jì)，空氣橋跨導(dǎo)已經(jīng)不能妥善地解決問(wèn)題。為突破這個(gè)發(fā)展瓶頸，研究者借鑒了傳統(tǒng)半導(dǎo)體芯片加工的3維封裝技術(shù)，在該方法中將超導(dǎo)量子比特設(shè)計(jì)、制備在一個(gè)二維平面上（Q-chip），而將測(cè)控線路設(shè)計(jì)、制備在另一個(gè)二維平面上（C-chip），通過(guò)如圖8所示的“倒裝焊”方法將兩個(gè)二維平面鍵合在一起，并通過(guò)空間電磁耦合來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)超導(dǎo)量子比特的測(cè)控。實(shí)驗(yàn)證明，倒裝焊工藝可以極大程度地解決多超導(dǎo)量子比特之間的串?dāng)_，而且不存在空氣橋工藝有可能引起的結(jié)構(gòu)損耗問(wèn)題。但是“倒裝焊”工藝也有一些可以改進(jìn)的空間，例如兩個(gè)二維平面鍵合時(shí)候需要使用銦來(lái)實(shí)現(xiàn)壓焊，銦與鋁之間會(huì)形成一個(gè)融合層產(chǎn)生大量的準(zhǔn)粒子從而引起損耗。此外由于金屬鋁質(zhì)地較軟，當(dāng)銦柱從上面脫落的時(shí)候容易將鋁膜撕扯下來(lái)從而損壞超導(dǎo)電路。從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，利用鈮或鉭取代鋁制備3維封裝的超導(dǎo)量子比特芯片是一個(gè)很好的解決辦法，目前已經(jīng)有多家單位在沿著這個(gè)技術(shù)路線努力，有望在近期實(shí)現(xiàn)比特?cái)?shù)目150個(gè)以上、比特壽命百微秒量級(jí)的新一代超導(dǎo)量子比特芯片。

除上文中所討論的超導(dǎo)量子比特芯片外，極低溫的信號(hào)放大器在超導(dǎo)量子計(jì)算中也是必不可少的。由于超導(dǎo)量子比特芯片工作在100mK 以下的溫度環(huán)境中，當(dāng)量子非破壞測(cè)量方式的微弱讀出信號(hào)從這樣一個(gè)極低溫的環(huán)境中向室溫環(huán)境傳輸?shù)臅r(shí)候，很容易在信號(hào)中摻雜環(huán)境噪聲，而市面上的一般微波信號(hào)放大器又無(wú)法在極低溫的環(huán)境中以接近量子極限噪聲的水平工作，因此需要一種可在極低溫環(huán)境下，接近量子極限噪聲水平的放大器來(lái)在信號(hào)剛剛從超導(dǎo)量子比特上讀出時(shí)就將其進(jìn)行放大以減少環(huán)境中噪聲對(duì)讀出信號(hào)的影響。本系列的下一篇文章就將系統(tǒng)地討論這類(lèi)極低溫信號(hào)放大器的原理以及實(shí)現(xiàn)方法。

最后，借用向濤院士針對(duì)量子計(jì)算發(fā)展所談到的一句話來(lái)作總結(jié)：“量子計(jì)算的研究還有很長(zhǎng)的路要走，但不管怎么樣，量子計(jì)算技術(shù)的發(fā)展是一個(gè)趨勢(shì)，受到了包括中國(guó)、美國(guó)在內(nèi)的世界各國(guó)的高度重視。最近幾年，量子計(jì)算的研究，進(jìn)展非常快。總之，在應(yīng)用方面，基于固態(tài)的量子計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，也是凝聚態(tài)物理研究的重要方面，其發(fā)展可能會(huì)改變?nèi)祟?lèi)的未來(lái)！”

參 考 文 獻(xiàn)

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