突破量子计算瓶颈：大规模制备超导量子比特的新路径！

【研究背景】

超导量子比特技术是量子计算领域的重要研究方向，因其在构建高保真、可扩展量子处理器中的巨大潜力，成为了研究热点。然而，随着量子处理器的复杂性不断增加，量子比特的制造工艺面临着诸多挑战，尤其是在保持高相干性的同时，实现大规模制造。这些挑战包括制造公差要求严格、工业化制造工艺与量子比特工艺的兼容性差等问题。传统实验室制备方法虽然能够实现高相干性量子比特，但难以满足未来量子计算机中上百万个量子比特的扩展需求。

有鉴于此，比利时鲁汶的Imec的A. Potočnik团队提出了使用工业化半导体制造工艺，在300毫米硅晶圆上大规模制备超导跨导量子比特的方案。他们通过采用全光刻和反应离子刻蚀技术，避免了传统的金属去除和倾斜蒸发工艺，并实现了高达98.25%的晶圆产量和超过100微秒的量子比特相干时间。研究结果表明，该工艺在保持量子比特高相干性的同时，能够实现大规模生产，为未来基于超导量子比特的量子处理器提供了一种新的工业化制造路径。

【表征解读】

本文通过时间频率图谱（time–frequency map）的表征，利用Python中的算法分析了量子比特的松弛时间和相干时间，揭示了分布在电容接口处的双态系统（TLS）缺陷的主导作用。这一分析基于频率-时间轴切片得出的TLS密度估算，发现每千兆赫大约有34.4个TLS。此外，本文通过对隧道结（JJ）实际面积的微观表征，进一步探讨了面积偏差对器件性能的影响，特别是分析了下电极侧壁的锥度以及氩离子铣削工艺对顶部电极沉积覆盖率的影响。通过扫描电子显微镜（SEM）图像和透射电子显微镜（TEM）图像，得到了结面积的最佳估计，并拟合了结的正常电阻与面积之间的关系，指出了在微观结构控制方面的改进方向。

针对观测到的中心到边缘的工艺依赖性，本文利用大规模统计数据，通过分析量子比特的松弛和相干时间，揭示了电容器接口双态系统（TLS）缺陷是导致量子比特性能退化的主要因素。通过进一步的表征分析，发现氧化层的均匀性是决定隧道结阻值变异的关键因素，特别是在面积较大的结中，界面非均匀性起到了主导作用。本文通过RSD分析和面积依赖性模型，揭示了面积变异与隧道结电阻的相关性，并通过模型A的拟合得到了结电阻随面积变化的精确关系。

在此基础上，本文通过对隧道结界面参与率的计算，进一步挖掘了不同界面对电容器性能的影响。通过平面电容器的设计模拟，计算了衬底-空气、金属-空气以及衬底-金属界面的能量参与率，并结合不同几何尺寸的电容器结构，分析了界面厚度和相对介电常数对参与率的影响。本文发现，金属-空气、衬底-空气以及衬底-金属界面的参与率呈现出相似的比例关系，这进一步证实了界面损耗在量子比特相干时间中的主导作用。

总之，通过以上表征手段和数据分析，本文深入探讨了影响超导量子比特相干性和松弛时间的微观机制，特别是在电容器接口和隧道结界面参与率方面的研究。通过对工艺流程的优化，例如光刻过程的光学邻近效应校正和干法蚀刻条件的改进，本文为进一步提升量子比特性能和制备更加复杂的量子处理器提供了新的方向。最终，这些表征手段不仅加深了对超导量子比特中关键工艺参数的理解，也为未来超导量子计算芯片的设计和制造提供了坚实的基础。

【图文速递】

图1：重叠约瑟夫逊量子比特的制备。

图2. 量子比特的弛豫和相干时间。

图3. 界面隧道态缺陷。

图4: 量子比特频率变异性及老化分析。

【科学启迪】

本文的研究为超导量子比特的工业化制造提供了重要价值，特别是在量子计算机的实际应用中，超导量子比特的高相干性和一致性是实现量子优势的关键。通过在300毫米晶圆上采用光刻和反应离子刻蚀等标准工业工艺，研究人员不仅实现了高达100微秒的弛豫和相干时间，还展示了卓越的产量和稳定性。这表明，传统实验室技术与现代工业制造相结合，能够推动量子比特的大规模生产。

此外，研究中对跨晶圆的统计分析揭示了量子比特的变异性和老化特性，为未来优化制造过程提供了数据支持。通过进一步的三维集成和工艺优化，这一方法具备了显著的扩展潜力，可能在未来实现数百万量子比特的集成。综上所述，本文不仅为超导量子比特的可持续发展奠定了基础，也为量子计算机的实用化提供了新的方向，强调了工业标准化的重要性和未来技术发展的广阔前景。

原文详情：Van Damme, J., Massar, S., Acharya, R. et al. Advanced CMOS manufacturing of superconducting qubits on 300 mm wafers. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07941-9