CN111211165A - 一种量子芯片立体结构及其制作和封装方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种量子芯片立体结构及其制作和封装方法，该立体结构提供了一种新的立体制作和封装结构，解决了量子点的电极在二维平面上排布困难以及量子点的电极排布所需的平面面积过大的问题，降低了量子芯片立体结构的成本。此外，该立体结构的量子点之间的耦合均由第一通信结构和第二通信结构调控，实现了所有参数全电控和独立可调的目的，且量子芯片立体结构通过RF(Reflect‑Frequency，射频)测量电路对量子比特的状态进行读取，不再需要制作用于信号探测的量子点，节省了量子点数量，优化了量子点结构。进一步的，该立体结构使用超导谐振腔层和量子点耦合，解决了随量子点扩展时由于电极数目增多带来的排布不开的问题。
Description
技术领域
本申请涉及量子技术领域，更具体地说，涉及一种量子芯片立体结构及其制作和封装方法。
背景技术
量子计算机(Quantum Computer)是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机。
量子计算机被认为是后摩尔时代的必然产物，被认为在密码学、大数据、科学模拟、机器学习以及人工智能方面有着巨大的潜力。量子计算机的核心是量子处理器，也称作量子芯片。遵循量子力学的叠加态原理是构建量子比特的基础，基于半导体的栅极电控量子点是构造量子比特，进而构建半导体量子芯片来实现量子计算机芯片的一种可行性方案。半导体量子比特单元主要有三种基本类型：电子自旋的不同旋转方向、单个电子电荷的两个不同位置状态或者电荷与自旋的杂化量子态等。
半导体栅极电控量子点制备工艺与传统的硅集成电路加工制造工艺完全兼容，在器件的参数设计及优化，以及器件的加工制备中能够得到精确地控制，具有较好的可扩展和集成性，被认为是最有希望实现量子计算机的方案之一。现有传统半导体栅极电控量子点构造的半导体量子芯片所包含的量子比特数还比较少，体积也比较小，可以将电极、微波线路、电荷探测集成在一块半导体基片表面，称之为二维结构。
但随着对半导体量子比特的研究的深入，以及构建半导体量子计算机的要求，需要的量子比特数目逐渐增多，具体反映在半导体量子比特的电极数目增多，以及相应的电荷探测器的数目增加，导致线路之间的串扰严重、电极引线的排布不优等问题，进一步限制了量子比特的性质。
发明内容
为解决上述技术问题，本申请提供了一种量子芯片立体结构及其制作和封装方法，以解决电极在二维平面上排布困难，阻碍量子点数目扩展的问题。
为实现上述技术目的，本申请实施例提供了如下技术方案：
一种量子芯片立体结构，包括：第一立体结构和第二立体结构；其中，
所述第一立体结构包括依次层叠设置的量子点层、第一绝缘层和第一通信结构，其中，
所述量子点层包括多个阵列排布的量子点；
所述第一绝缘层用于隔离所述量子点层与所述第一通信结构；
所述第一通信结构位于所述第一绝缘层之上，并部分结构与所述量子点层连接，用于将接收的第一直流电压、第二直流电压和第一高频微波信号传输至所述量子点层，并利用所述第一直流电压形成第一调控电场，利用所述第二直流电压形成第二调控电场，以利用所述第一高频微波信号操控所述量子点层中量子点的量子比特的状态，利用所述第一调控电场调控所述量子点之间的耦合强度，利用所述第二调控电场调控所述量子点内的载流子数目；和用于连接RF测量电路，以使所述RF测量电路通过所述第一通信结构向所述量子点层传输第一探测信号，并使所述RF测量电路根据反射的第一探测信号判断所述量子点层中量子比特的状态；
所述第二立体结构包括依次层叠设置的超导谐振腔层和第二通信结构，其中，
所述第二通信结构与所述量子点层和所述超导谐振腔层连接，用于实现所述超导谐振腔层和所述量子点层中的量子点的耦合，和用于将所述超导谐振腔层提供的第三直流电压传输给所述量子点层，以利用所述第三直流电压形成第三调控电场，并利用所述第三调控电场与所述第一调控电场和第二调控电场共同束缚形成量子点；
所述超导谐振腔层还用于接收第二高频微波信号，以利用所述第二高频微波信号读取所述量子点层中量子比特的状态。
可选的，所述量子点层包括中央区域和包围所述中央区域的边缘区域；
所述边缘区域中还包括多个穿硅通孔和多个离子注入区；其中，所述多个穿硅通孔分布于所述边缘区域的四个端点位置，所述多个离子注入区分布于所述边缘区域的四条边上；
所述多个阵列排布的量子点位于所述中央区域中，相邻两个所述量子点之间为可调耦合区域，所述多个量子点中，与所述离子注入区相邻的量子点为第一类量子点，与所述穿硅通孔相邻的量子点为第三类量子点，其他所述量子点为第二类量子点。
可选的，所述量子点层还包括：多个微磁体；
所述多个微磁体分布于所述多个量子点之间的缝隙中，或分布于所述多个穿硅通孔的缝隙中，或分布于所述多个离子注入区的缝隙中。
可选的，所述第一通信结构包括：第一通讯线路层和第二通讯线路层；其中，
所述第一通讯线路层与所述可调耦合区域连接，用于将接收的第一直流电压传输至所述可调耦合区域，并利用所述第一直流电压形成第一调控电场，以利用所述第一调控电场调控所述量子点之间的耦合强度；和用于连接RF测量电路，以使所述RF测量电路通过所述第一通信结构向所述量子点层传输第一探测信号，并使所述RF测量电路根据反射的第一探测信号判断所述量子点层中量子比特的状态；
所述第二通讯线路层与所述量子点层连接，用于将接收的第二直流电压和第一高频微波信号传输给所述量子点层，并利用所述第二直流电压形成第二调控电场，以利用所述第一高频微波信号操控所述量子点层中量子比特的状态，利用所述第二调控电场调控所述量子点内的载流子数目。
可选的，所述第一通讯线路层包括第一通讯线路A层和第一通讯线路B层；其中，
所述第一通讯线路A层包括：第一表面引线、第一金属连接点、第一垂直电极和第一截止点，所述第一表面引线与所述量子点层所在平面平行，用于引出所述第一垂直电极，所述第一垂直电极的一端连接所述第一表面引线，另一端与第一方向延伸的可调耦合区域连接，所述第一表面引线与所述第一垂直电极的连接处为所述第一金属连接点，所述第一垂直电极与所述可调耦合区域的连接端为所述第一截止点；
所述第一通讯线路B层包括：第二表面引线、第二金属连接点、第二垂直电极和第二截止点，所述第二表面引线与所述量子点层所在平面平行，用于引出所述第二垂直电极，所述第二垂直电极的一端连接所述第二表面引线，另一端与第二方向延伸的可调耦合区域连接，所述第二表面引线与所述第二垂直电极的连接处为所述第二金属连接点，所述第二垂直电极与所述可调耦合区域的连接端为所述第二截止点；
所述第一通讯线路A层和第一通讯线路B层用于将接收的第一直流电压传输至所述量子点层，并利用所述第一直流电压形成第一调控电场，以利用所述第一调控电场调控所述量子点之间的耦合强度；还用于连接所述RF测量电路，以使所述RF测量电路通过所述第一通讯线路层向所述量子点层传输第一探测信号，并使所述RF测量电路根据反射的第一探测信号判断所述量子点层中量子比特的状态；
所述第一方向与所述第二方向垂直。
可选的，所述第二通讯线路层包括：
第三表面引线、第三金属连接点、第三垂直电极和第三截止点，所述第三表面引线与所述量子点层所在平面平行，用于引出所述第三垂直电极，所述第三垂直电极的一端连接所述第三表面引线，另一端与所述量子点连接，所述第三表面引线与所述第三垂直电极的连接端为所述第三金属连接点，所述第三垂直电极与所述量子点层的连接端为所述第三截止点。
可选的，所述第二通信结构包括：第三通讯线路和第四通讯线路；
其中，所述第三通讯线路包括量子点连接电极、超导谐振腔连接电极和金属连接电极；
所述量子点连接电极包括第一水平部分和第一垂直部分，所述第一水平部分位于所述第一绝缘层表面，所述第一垂直部分通过所述穿硅通孔贯穿所述量子点层，所述第一垂直部分一端连接所述第一水平部分，另一端连接所述金属连接电极；
所述超导谐振腔连接电极包括第二水平部分和第二垂直部分，所述第二水平部分的一端连接所述金属连接电极，另一端连接所述第二垂直部分；所述第二垂直部分贯穿所述超导谐振腔层的第二绝缘层，远离所述第二水平部分的一端与所述超导谐振腔层连接，所述第二垂直部分与所述超导谐振腔层的连接端为第四截止点；
所述第四通讯线路包括第一连接电极和第二连接电极，其中，所述第一连接电极的一端与所述超导谐振腔层的信号输入板连接，另一端用于接收所述第二高频微波信号，所述第一连接电极与所述信号输入板的连接端为第五截止点；所述第二连接电极的一端与所述超导谐振腔层的直流电极连接，另一端用于接收所述第三直流电压。
可选的，所述超导谐振腔层包括：多个超导谐振腔；
所述超导谐振腔包括：第二绝缘层、中央导带线、直流电极、金属支撑、耦合电极和两个信号输入板；其中，
所述中央导带线的两端分别连接两个所述信号输入板，所述超导谐振腔的电压节点引出所述耦合电极，所述耦合电极通过所述第三通讯线路与所述第三类量子点连接；
所述直流电极用于接收所述第三直流电压，所述第三直流电压通过所述耦合电极施加到所述第三类量子点上，形成第三调控电场，并利用所述第三调控电场与所述第一调控电场和第二调控电场共同束缚形成量子点。
所述信号输入板用于接收所述第二高频微波信号；
所述金属支撑用于支撑上层结构；
所述第二绝缘层用于承载所述第四通讯线路。
一种量子芯片立体结构的制作和封装方法，包括：
提供衬底；
分别在所述衬底上制作第一立体结构和第二立体结构，
所述第一立体结构具体为在所述衬底上依次层叠的量子点层、第一绝缘层和第一通信结构，其中，
所述量子点层包括多个阵列排布的量子点；
所述第一绝缘层用于隔离所述量子点层与所述第一通信结构；
所述第一通信结构位于第一绝缘层之上，并部分结构与所述量子点层连接，用于将接收的第一直流电压、第二直流电压和第一高频微波信号传输至所述量子点层，并利用所述第一直流电压形成第一调控电场，利用所述第二直流电压形成第二调控电场，以利用所述第一高频微波信号操控所述量子点层中量子比特的状态，利用所述第一调控电场调控所述量子点之间的耦合强度，利用所述第二调控电场调控所述量子点内的载流子数目；和用于连接RF测量电路，以使所述RF测量电路通过所述第一通信结构向所述量子点层传输第一探测信号，并使所述RF测量电路根据反射的第一探测信号判断所述量子点层中量子比特的状态；
所述第二立体结构具体为在所述衬底上依次层叠的超导谐振腔层和第二通信结构，其中，
所述第二通信结构与所述量子点层和所述超导谐振腔层连接，用于实现所述超导谐振腔层和所述量子点层中的量子点的耦合，和用于将所述超导谐振腔层提供的第三直流电压传输给所述量子点层，以利用所述第三直流电压形成第三调控电场，并利用所述第三调控电场与所述第一调控电场和第二调控电场共同束缚形成量子点；
所述超导谐振腔层还用于接收第二高频微波信号，以利用所述第二高频微波信号读取所述量子点层中量子比特的状态；
所述第一立体结构和所述第二立体结构上下层叠，通过所述第三通讯线路连接起来，共同构成所述量子芯片立体结构。
从上述技术方案可以看出，本申请实施例提供了一种量子芯片立体结构及其制作和封装方法，其中，所述量子芯片立体结构由依次层叠设置的超导谐振腔层、第二通信结构、量子点层、第一绝缘层和第一通信结构构成，其中，所述第一通信结构作为所述量子点层中的量子点的电极存在，将二维排布的量子点的电极以三维结构的形式排布，解决了量子点的电极在二维平面上排布困难的问题，避免了量子点的电极排布所需的平面面积过大的问题，降低了量子芯片立体结构的成本。
此外，所述量子芯片立体结构的量子点之间的耦合均由第一通信结构和第二通信结构调控，实现了所有参数全电控和独立可调的目的，且所述量子芯片立体结构通过RF测量电路对量子点层中量子比特的状态进行读取，不再需要在量子点层中制作用于信号探测的量子点，节省了量子点数量，优化了量子点结构。
进一步的，所述量子芯片立体结构的制作和封装方法使用超导谐振腔和所述量子点耦合，将分立的量子点层连接起来，使不同量子点层整体形成一个量子点阵列结构，解决了随量子点扩展时由于电极数目增多带来的排布不开的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本申请的一个实施例提供的一种量子芯片立体结构的示意图；
图2为本申请的一个实施例提供的一种量子点层的俯视结构示意图；
图3为本申请的另一个实施例提供的一种量子点层的俯视结构示意图；
图4为本申请的又一个实施例提供的一种量子点层的俯视结构示意图；
图5为本申请的一个实施例提供的一种第一通信结构与所述量子点层的连接关系示意图；
图6为本申请的一个实施例提供的一种第一通讯线路层和第二通讯线路层的表面引线的俯视示意图；
图7为本申请的一个实施例提供的一种超导谐振腔层的俯视结构示意图；
图8为本申请的一个实施例提供的一种所述第二通信结构的剖面结构示意图；
图9为本申请的一个实施例提供的一种超导谐振腔、第三通讯线路、第四通讯线路和量子点层的立体结构示意图；
图10为本申请的一个实施例提供的一种超导谐振腔与量子点层封装结构的平面示意图；
图11为图10中虚线框的放大示意图；
图12为本申请的一个实施例提供的一种量子芯片立体结构的剖面示意图；
图13-图23为本申请的一个实施例提供的一种量子芯片立体结构的制作流程。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请实施例提供了一种量子芯片立体结构，如图1所示，包括：依次层叠设置的超导谐振腔层600、第二通信结构500、量子点层100、第一绝缘层110和第一通信结构200A；其中，
所述量子点层100、第一绝缘层110和第一通信结构200A依次层叠，构成所述第一立体结构；
所述超导谐振腔层600和第二通信结构500依次层叠，构成所述第二立体结构；
所述量子点层100包括多个阵列排布的量子点；
所述第一绝缘层110用于隔离所述量子点层100与所述第一通信结构200A；
所述第一通信结构200A位于所述第一绝缘层110之上，并部分与所述量子点层100连接，用于将接收的第一直流电压、第二直流电压和第一高频微波信号传输至所述量子点层100，并利用所述第一直流电压形成第一调控电场，利用所述第二直流电压形成第二调控电场，以利用所述第一高频微波信号操控所述量子点层100中量子点的量子比特的状态，利用所述第一调控电场调控所述量子点之间的耦合强度，利用所述第二调控电场调控所述量子点内的载流子数目；和用于连接RF测量电路，以使所述RF测量电路通过所述第一通信结构200A向所述量子点层100传输第一探测信号，并使所述RF测量电路根据反射的第一探测信号判断所述量子点层100中量子比特的状态；
所述第二通信结构500与所述量子点层100和所述超导谐振腔层600连接，用于实现所述超导谐振腔层600和所述量子点层100中的量子点的耦合，和用于将所述超导谐振腔层600提供的第三直流电压传输给所述量子点层100，以利用所述第三直流电压形成第三调控电场，并利用所述第三调控电场与所述第一调控电场和第二调控电场共同束缚形成量子点；
所述超导谐振腔层600还用于接收第二高频微波信号，以利用所述第二高频微波信号读取所述量子点层100中量子比特的状态。
在本实施例中，所述超导谐振腔层600、第二通信结构500、量子点层100、第一绝缘层110和第一通信结构200A层叠设置是指所述超导谐振腔层600、第二通信结构500、量子点层100、第一绝缘层110和第一通信结构200A的主体部分或者说主要部分均位于不同层，当将所述量子点层100所在平面称为水平面时，所述第二通信结构500和第一通信结构200A的主体部分或者说主要部分是指除去垂直连接其他层的部分。
另外，所述第一高频微波信号和第二高频微波信号均指频率为GHz量级的微波信号，具体可以是频率从几GHz到几十GHz不等的微波信号，所述第一高频微波信号的具体频率与比特翻转频率有关，所述第二高频微波信号的具体频率与超导谐振腔的共振频率有关。在本实施例中，所述量子芯片立体结构由依次层叠设置的超导谐振腔层600、第二通信结构500、量子点层100、第一绝缘层110和第一通信结构200A构成，其中，所述第一通信结构200A作为所述量子点层100中的量子点的电极存在，将二维排布的量子点的电极以三维结构的形式排布，避免了大量电极占用大量平面面积的问题，从而解决了量子点的电极在二维平面上排布困难的问题，避免了量子点的电极排布所需的平面面积过大的问题，降低了量子芯片立体结构的成本。
此外，所述量子芯片立体结构的量子点之间的耦合均由第一通信结构200A和第二通信结构500调控，实现了所有参数全电控和独立可调的目的，且所述量子芯片立体结构通过RF(Reflect-Frequency，射频)测量电路对量子点层100中量子比特的状态进行读取，不再需要在量子点层100中制作用于信号探测的量子点，节省了量子点数量，优化了量子点结构。
进一步的，所述量子芯片立体结构的制作和封装方法使用超导谐振腔层600和所述量子点耦合，将分立的量子点层连接起来，使不同量子点层整体形成一个量子点阵列结构，解决了随量子点扩展时由于电极数目增多带来的排布不开的问题。
可选的，所述第一绝缘层110可以为二氧化硅层。
下面对本申请实施例提供的量子芯片立体结构的各层结构进行说明。
参考图2，图2为本申请实施例提供的量子点层100的俯视结构示意图，在图2中，示出了多个量子点102，两个在第一方向相邻的量子点102之间连接的黑线表示这两个量子点102是相互耦合的，由于量子点102间的耦合是通过该处的电极进行调控的，因此两个相互耦合的量子点102之间的区域也称为可调耦合区域101；
同样的，两个在第二方向相邻的量子点102之间连接的黑线也表示这两个量子点102是相互耦合的，由于量子点102间的耦合是通过该处的电极进行调控的，因此两个相互耦合的量子点102之间的区域也称为可调耦合区域101。
图2中，箭头R1表示所述第一方向，箭头R2表示所述第二方向，以图2所示为例，第一方向为横向延伸方向，第二方向为纵向延伸方向。
在图2中，并未示出量子点层100边界，也不限定量子点102数量。
参考图3，所述量子点层100包括中央区域和包围所述中央区域的边缘区域；
所述边缘区域中还包括多个穿硅通孔104和多个离子注入区103；其中，所述多个穿硅通孔104分布于所述边缘区域的四个端点位置，所述多个离子注入区103分布于所述边缘区域的四条边上；
所述多个阵列排布的量子点102位于所述中央区域中，相邻两个所述量子点102之间为可调耦合区域101，所述多个量子点102中，与所述离子注入区103相邻的量子点102为第一类量子点1021，与所述穿硅通孔104相邻的量子点102为第三类量子点1023，其他所述量子点102为第二类量子点1022。
在图3中，所述量子点102的大小近似为直径50nm的圆形，在第一方向和第二方向上相邻的两个量子点102之间的距离为50nm左右。主要将所述量子点层100中的量子点102分为三类，即将与所述离子注入区103相邻的量子点102称为第一类量子点1021，将与所述穿硅通孔104相邻的量子点102称为第三类量子点1023，其他位于中部的量子点102(即周围均为量子点102的量子点102)称为第二类量子点1022。
所述离子注入区103是通过物理轰击的方法，将N型或者P型离子注入到衬底浅层，为所述量子点102提供载流子(如电子或者空穴)，其与第一类量子点1021之间的黑线代表第一类量子点1021与离子注入区103之间的耦合，在不需要额外的载流子的情况下将其耦合关闭，在离子注入区103内部会制作欧姆接触电极，用来通过第一通信结构施加第二直流电压，调控离子注入区103内费米能级的高低。
所述穿硅通孔104通过离子轰击或者化学腐蚀等方法，在硅片边缘制作贯穿整个衬底的小孔，用来通过所述第二通信结构的引线。
在上述实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，如图4所示，所述量子点层100还包括：多个微磁体111；
所述多个微磁体111分布于所述多个量子点102之间的缝隙中，或分布于所述多个穿硅通孔104的缝隙中，或分布于所述多个离子注入区103的缝隙中。
在图3所示的量子点层100的基础上，增加了位于第一绝缘层上的结构：微磁体111，所述微磁体111通过光刻或者电子束刻蚀得到相应结构轮廓，然后将磁体材料蒸镀到第一绝缘层的表面，得到所述微磁体111。通过施加外磁场将微磁体111磁化后，所述微磁体111可以在量子点102处提供稳定的磁场梯度，和之前施加在第一通讯结构的第一高频微波共同作用，通过改变量子点102内载流子的自旋方向，实现自旋量子比特的操控。
下面对所述第一通信结构的可行结构进行说明，参考图5和图6，图5为所述第一通信结构具体的电极排布示意图，图6为第一通讯结构表面引线的俯视示意图。所述第一通信结构包括：第一通讯线路层和第二通讯线路层400；其中，
所述第一通讯线路层与所述可调耦合区域连接，用于将接收的第一直流电压传输给所述量子点层，并利用所述第一直流电压形成第一调控电场，以利用所述第一调控电场调控所述量子点之间的耦合强度，和用于连接RF测量电路，以使所述RF测量电路通过所述第一通信结构向所述量子点层传输第一探测信号，并使所述RF测量电路根据反射的第一探测信号判断所述量子点层中量子比特的状态；
所述第二通讯线路层400与所述量子点层连接，用于将接收的第二直流电压和第一高频微波信号传输给所述量子点层，并利用所述第二直流电压形成第二调控电场，以利用所述第一高频微波信号操控所述量子点层中量子点的量子比特的状态，利用所述第二调控电场调控所述量子点内的载流子数目。
其中，所述第一通讯线路层包括第一通讯线路A层200和第一通讯线路B层300；其中，
所述第一通讯线路A层200包括：第一表面引线201、第一金属连接点202、第一垂直电极203和第一截止点204，所述第一表面引线201与所述量子点层所在平面平行，用于引出所述第一垂直电极203，所述第一垂直电极203的一端连接所述第一表面引线201，另一端与第一方向延伸的可调耦合区域连接，所述第一表面引线201与所述第一垂直电极203的连接端为所述第一金属连接点202，所述第一垂直电极203与所述可调耦合区域的连接端为所述第一截止点204；
所述第一通讯线路B层300包括：第二表面引线301、第二金属连接点302、第二垂直电极303和第二截止点304，所述第二表面引线301与所述量子点层所在平面平行，用于引出所述第二垂直电极303，所述第二垂直电极303的一端连接所述第二表面引线301，另一端与第二方向延伸的可调耦合区域连接，所述第二表面引线301与所述第二垂直电极303的连接端为所述第二金属连接点302，所述第二垂直电极303与所述可调耦合区域的连接端为所述第二截止点304；
所述第一通讯线路A层200和第一通讯线路B层300用于将接收的第一直流电压传输至所述量子点层100，并利用所述第一直流电压形成第一调控电场，以利用所述第一调控电场调控所述量子点之间的耦合强度；还用于连接所述RF测量电路，以使所述RF测量电路通过所述第一通讯线路层向所述量子点层传输第一探测信号，并使所述RF测量电路根据反射的第一探测信号判断所述量子点层中量子比特的状态；
所述第一方向与所述第二方向垂直。
所述第二通讯线路层400包括：
第三表面引线401、第三金属连接点402、第三垂直电极403和第三截止点404，所述第三表面引线401与所述量子点层所在平面平行，用于引出所述第三垂直电极403，所述第三垂直电极403的一端连接所述第三表面引线401，另一端与所述量子点连接，所述第三表面引线401与所述第三垂直电极403的连接端为所述第三金属连接点402，所述第三垂直电极403与所述量子点层100的连接端为所述第三截止点404。
类似的，在图5中，箭头R1表示所述第一方向，箭头R2表示所述第二方向，以图5所示为例，第一方向为横向延伸方向，第二方向为纵向延伸方向，即在图5中，所述第一方向和第二方向垂直，当然地，在本申请的其他实施例中，所述第一方向和第二方向也可以不垂直。
顾名思义，通讯线路的作用即是在量子点系统和外界系统之间建立沟通桥梁。所述第一通讯线路层的作用主要有两个，第一是将接收的第一直流电压传输给所述量子点层，所述第一直流电压在所述第一截止点204位置处形成第一调控电场，以利用所述第一调控电场对所述量子点之间的耦合强度进行调控，第二是连接RF测量电路，利用RF测量电路测量与特定的第一通讯线路层相邻的量子点内载流子的状态。第一通讯线路层由高频率信号线构成，其通过的微波频率一般小于1GHz。
对于第二通讯线路层400来讲，也是主要有两个功能，第一是施加第二直流电压，用来对量子点内的能级高低进行调节，以控制载流子数目，第二是接收第一高频微波信号，当第一高频微波信号的频率和量子点内载流子塞曼劈裂或其他能级之间相应的频率匹配时，可以操控量子比特的状态，第二通讯线路层400由高频率信号线构成，其要求在较高的频率下通过的微波信号衰减小。
下面对超导谐振腔层的结构进行说明，参考图7，所述超导谐振腔层600包括：多个超导谐振腔601；可选的，所述超导谐振腔层600可以包括四个超导谐振腔601。
每个所述超导谐振腔601包括：第二绝缘层(附图7中未示出)、中央导带线602、直流电极603、金属支撑606、耦合电极604和两个信号输入板605；其中，
所述中央导带线602的两端分别连接两个所述信号输入板605，所述超导谐振腔601的电压节点引出两个所述耦合电极604，所述耦合电极604通过所述第三通讯线路与所述第三类量子点1023连接；
所述直流电极603用于接收所述第三直流电压，所述第三直流电压通过所述耦合电极604施加到所述第三类量子点1023上，实现对所述第三类量子点的调控；
所述信号输入板605用于接收所述第二高频微波信号；
所述金属支撑606用于支撑上层结构；
所述第二绝缘层用于承载所述第三通讯线路和第四通讯线路。
在图7中，并未示出所述第二绝缘层，在制备过程中，当第二绝缘层形成之后，可以在第二绝缘层上制作第二通讯结构。
对于第二通信结构而言，参考图8，所述第二通信结构包括：第三通讯线路510和第四通讯线路520；
其中，所述第三通讯线路510包括量子点连接电极511、超导谐振腔连接电极513和金属连接电极512；
所述量子点连接电极511包括第一水平部分和第一垂直部分，所述第一水平部分位于所述第一绝缘层110表面，所述第一垂直部分通过所述穿硅通孔104贯穿所述量子点层，所述第一垂直部分一端连接所述第一水平部分，另一端连接所述金属连接电极512；
所述超导谐振腔连接电极513包括第二水平部分和第二垂直部分，所述第二水平部分的一端连接所述金属连接电极512，另一端连接所述第二垂直部分；所述第二垂直部分贯穿所述超导谐振腔层的第二绝缘层501，远离所述第二水平部分的一端与所述超导谐振腔耦合电极604连接，所述第二垂直部分与所述超导谐振腔层的连接端为第四截止点514；
参考图8和图9，所述第四通讯线路520包括第一连接电极521和第二连接电极523，其中，所述第一连接电极521的一端与所述超导谐振腔601的信号输入板605连接，另一端用于接收所述第二高频微波信号，所述第一连接电极521与所述信号输入板的连接端为第五截止点522；所述第二连接电极523的一端与所述超导谐振腔的直流电极603连接，另一端用于接收所述第三直流电压。
参考图9，图9为超导谐振腔、第三通讯线路、第四通讯线路和量子点层的立体结构示意图，图9中详细显示了第三通讯线路、第四通讯线路的结构以及其与超导谐振腔层和量子点连接的位置。
超导谐振腔601只绘制出了部分结构，且并未标出超导谐振腔601各部分序号。
类似的，量子点层100也只绘制出了由部分量子点102构成的点阵，虚线代表量子点102向外扩展。穿硅通孔104如图9所示，位于第三类量子点1023远离第一类量子点1021的两侧位置，是垂直贯穿衬底的通孔，第三通讯线路的量子点连接电极511穿过所述穿硅通孔104，实现超导谐振腔601与第三类量子点1023之间的耦合。量子点层100中其余部分未画出。由于超导谐振腔601的尺寸远大于量子点102的尺寸，为了清楚的显示第三通讯线路、第四通讯线路与超导谐振腔601和量子点102之间的关系，图9中将所述量子点部分进行了放大处理。
第三通讯线路510中量子点连接电极511、超导谐振腔连接电极513、金属连接电极512以及第四截止点514的具体连接关系如图9所示。
第四通讯线路520中第一连接电极521、第一连接电极521的截止点522、第二连接电极523和第二连接电极523的截止点524的具体连接关系参考图9。第一连接电极521和第二连接电极523均延伸至超出超导谐振腔层的位置，立体封装时利用带有金属导线的“盒子”(或称外壳)将其包起来，实现第四通讯线路520与外部电路的连接。
参考图10，图10为超导谐振腔与量子芯片立体结构封装的平面示意图，图10中简要示出了包含量子点层100、第三通讯线路510、第四通讯线路520和超导谐振腔层600的俯视图，其中量子点层100、第三通讯线路510、第四通讯线路520和超导谐振腔层600的一些结构由于俯视角度下重合的原因未画出。
量子点层100的面积很小，位于四个相邻超导谐振腔601围成的正方形中心，其四个顶角的第三类量子点1023通过第三通讯线路510和超导谐振腔601的耦合电极604相连，第三通讯线路只示出了超导谐振腔连接电极513。
超导谐振腔601通过第四通讯线路520和外部电路相连，第四通讯线路520的第二连接电极523如图10所示，和超导谐振腔的直流电极603相连。
图11为图10中虚线框的放大示意图。
为了更清楚的描述所述量子芯片立体结构的封装结构，参考图12，图12为所述量子芯片立体结构的封装的剖面示意图，图12为一块超导谐振腔与两块量子点层封装的局部示意图，由于角度原因一些部分没有示出。
图12中显示第一通讯线路A层200、第二通讯线路B层300和第二通讯线路层400的面积逐渐减小，在立体封装时，通过带有金属导线的“盖子”将其罩起来，以将第一通讯线路A层、第二通讯线路B层和第二通讯线路层与外部电路连接。
相应的，本申请实施例还提供了一种量子芯片立体结构的制作和封装方法，包括：
提供衬底；
分别在所述衬底上制作第一立体结构和第二立体结构，
所述第一立体结构具体为在所述衬底上依次层叠的量子点层、第一绝缘层和第一通信结构，其中，
所述量子点层包括多个阵列排布的量子点；
所述第一绝缘层用于隔离所述量子点层与所述第一通信结构；
所述第一通信结构位于所述第一绝缘层之上，部分结构与所述量子点层连接，用于将接收的第一直流电压、第二直流电压和第一高频微波信号传输给所述量子点层，并利用所述第一直流电压形成第一调控电场，利用所述第二直流电压形成第二调控电场，以利用所述第一高频微波信号操控所述量子点层中量子比特的状态，利用所述第一调控电场调控所述量子点之间的耦合强度，利用所述第二调控电场调控所述量子点内的载流子数目；和用于连接RF测量电路，以使所述RF测量电路通过所述第一通信结构向所述量子点层传输第一探测信号，并使所述RF测量电路根据反射的第一探测信号判断所述量子点层中量子比特的状态；
所述第二立体结构具体为在所述衬底上依次层叠的超导谐振腔层和第二通信结构，其中，
所述第二通信结构与所述量子点层和所述超导谐振腔层连接，用于实现所述超导谐振腔层和所述量子点层中的量子点的耦合，和用于将所述超导谐振腔层提供的第三直流电压传输给所述量子点层，以利用所述第三直流电压形成第三调控电场，并利用所述第三调控电场与第一调控电场和第二调控电场共同束缚形成量子点；
所述超导谐振腔层还用于接收第二高频微波信号，以利用所述第二高频微波信号读取所述量子点层中量子比特的状态。
可选的，用于所述第一立体结构的衬底为生长了同位素纯化硅的衬底。
可选的，用于所述第二立体结构的衬底可以为硅片衬底。
可选的，所述在所述衬底上分别制作第一立体结构和第二立体结构的主要步骤包括：极紫外光刻、电子束蒸发镀膜和金属剥离技术制备套刻曝光标记；极紫外光刻、离子束刻蚀技术用于制备穿硅通孔；紫外光刻、湿法刻蚀技术、电子束蒸发镀膜和高温退火制备欧姆接触电极；极紫外光刻、电子束蒸发镀膜和金属剥离技术制备微磁体结构；极紫外光刻、离子束刻蚀技术、电子束蒸发镀膜、金属剥离技术和原子层沉积技术制作第一通讯线路层、第二通讯线路层、第三通讯线路和第四通讯线路；磁控溅射镀膜、极紫外光刻和反应离子刻蚀制备超导谐振腔。
详细步骤包括：1.制备所述第一立体结构的步骤：
(1)极紫外光刻、电子束蒸发镀膜和金属剥离技术制备用于套刻曝光的标记：将生长高质量二氧化硅后的衬底使用标准样品清洗工艺清洗基片表面，再利用极紫外光刻技术、电子束蒸发镀膜技术和金属剥离技术在第一绝缘层表面设计位置获得用于不同步骤中电极精准套刻的金属标记，镀膜金属为钛金合金(Ti/Au)。
(2)极紫外光刻、离子束刻蚀技术用于制备穿硅通孔：将经过第(1)步处理后的基片使用标准清洗工艺清洗基片表面，再利用紫外光刻技术和离子束刻蚀技术在设计位置制作贯穿硅片的穿硅通孔。
(3)极紫外光刻、电子束蒸发镀膜和金属剥离技术制备第三通讯线路量子点连接电极：将经过第(1)-(2)步处理后的基片使用标准样品清洗工艺清洗，使用极紫外光刻技术，通过第(1)步中制作的套刻标记进行位置校准，再使用电子束蒸发镀膜技术和金属剥离技术，在设计位置制作第三通讯线路的量子点连接电极的第一水平部分，材料为钛钯合金(Ti/Pd)；再次使用极紫外光刻、电子束蒸发镀膜和金属剥离技术，使用斜蒸发工艺制作贯穿穿硅通孔的第一垂直部分电极，与前面制作的第一水平部分连接起来，共同构成第三通讯线路量子点连接电极。
(4)紫外光刻、湿法刻蚀技术、电子束蒸发镀膜和高温退火制备欧姆接触电极：将经过第(1)-(3)步处理后的基片使用标准样品清洗工艺清洗，利用紫外光刻技术，利用第(1)步中制作的套刻标记进行套刻曝光，在每个离子注入区内部设计位置曝光出设定参数的欧姆接触窗口，利用湿法刻蚀技术将窗口内的第一绝缘层去除，利用电子束蒸发镀膜技术将钛金合金(Ti/Au)蒸镀到欧姆接触窗口内，利用金属剥离技术获得欧姆接触电极。再次使用标准样品清洗工艺清洗基片，并将基片放入退火炉，利用含15％氢气(H2)和85％氮气(N2)的混合气体作为保护气在400℃下退火30分钟，使得蒸镀的欧姆接触金属向离子注入区内部渗透，降低与注入离子之间的接触电阻，形成高质量的欧姆接触电极。
(5)极紫外光刻、电子束蒸发镀膜和金属剥离技术制备微磁体结构：使用标准样品清洗工艺清洗衬底，使用极紫外光刻技术，利用第(1)步中制作的套刻标记，在第一绝缘层表面套刻曝光出用于制作微磁体的窗口，利用电子束蒸发镀膜技术将钴(Co)金属蒸镀到窗口内，利用金属剥离技术获得微磁体。
(6)极紫外光刻、离子束刻蚀技术、电子束蒸发镀膜和金属剥离技术制作第一通讯线路A和：在上述步骤的基础上，使用标准样品清洗工艺清洗样品，再使用极紫外光刻技术，利用第(1)步中制作的套刻标记进行套刻曝光，曝光出第一第二通讯线路垂直电极的掩模图形，利用电子束蒸发镀膜技术沉积一定厚度的钛钯合金(Ti/Pd)，直到其达到第一通讯线路层的设计高度，然后在垂直电极的缝隙里生长高质量的绝缘层三氧化二铝(Al2O3)或氧化铪(HfO2)，既起到电极之间绝缘作用，又起到支撑上层电极结构的作用。通过极紫外光刻和离子束刻蚀技术将垂直电极表面的绝缘层除掉后，使用电子束蒸发镀膜技术和金属剥离技术制作第一金属触点。再次使用极紫外光刻、电子束蒸发镀膜和金属剥离技术制作第一表面引线，其和前面制作的第一垂直电极、第一金属触点一同构成第一通讯线路A。剩下的第二垂直电极和第三垂直电极会用于接下来第一通讯线路B和第二通讯线路的制作。
(7)重复步骤(6)，使用极紫外光刻、离子束刻蚀技术、电子束蒸发镀膜和金属剥离技术制作第一通讯线路B和第二通讯线路，得到所述第一立体结构。
2.制备所述第二立体结构的步骤：
(8)磁控溅射镀膜、极紫外光刻和反应离子刻蚀制备超导谐振腔：在制作超导谐振腔所用基片表面生长质量良好的二氧化硅层后，利用标准样品清洗工艺清洗基片，利用磁控溅射镀膜技术在整个基片表面制作一层铌钛氮(NiTiN)超导薄膜，对其再次进行标准样品清洗工艺，利用极紫外光刻技术，曝光出超导谐振腔和用于套刻的图形，通过反应离子刻蚀技术将图形内的铌钛氮(NiTiN)薄膜除掉，得到超导谐振腔和用于套刻技术的标记。
(9)紫外光刻、离子束刻蚀技术、电子束蒸发镀膜和金属剥离技术制作第四通讯线路：在上述超导谐振腔样品的基础上，使用标准样品清洗工艺清洗样品，再使用极紫外光刻技术，利用第(8)步中制作的套刻标记进行套刻曝光，曝光出第四通讯线路的掩膜图形，利用电子束蒸发镀膜技术沉积钛钯合金(Ti/Pd)用于制作第四通讯线路。
(10)极紫外光刻、离子束刻蚀技术、电子束蒸发镀膜和金属剥离技术制作第三通讯线路超导谐振腔连接电极：在第(9)步的基础上，使用标准样品清洗工艺清洗样品，再使用极紫外光刻技术，利用第(8)步中制作的套刻标记进行套刻曝光，曝光出第三通讯线路超导谐振腔连接电极第二垂直部分的掩膜图形，利用电子束蒸发镀膜技术和金属剥离技术，通过沉积一定厚度的钛钯合金(Ti/Pd)，其厚度决定于第三通讯线路超导谐振腔连接电极第二水平部分的设计位置。然后在垂直电极的缝隙里生长高质量的绝缘层三氧化二铝(Al2O3)或氧化铪(HfO2)，既起到电极之间绝缘作用，又起到支撑上层电极结构的作用。通过极紫外光刻和离子刻蚀技术将第二垂直部分表面的绝缘层除掉后，使用极紫外光刻技术、电子束蒸发镀膜和金属剥离技术制作其第二水平部分，金属材料为钛钯合金(Ti/Pd)。和前述第二垂直部分共同构成第三通讯线路超导谐振腔连接电极。
(11)极紫外光刻、电子束蒸发镀膜和金属剥离技术制作第三通讯线路金属连接电极：在第(10)步的基础上，使用标准样品清洗工艺清洗样品，再使用极紫外光刻技术，利用第(8)步中制作的套刻标记进行套刻曝光，曝光出第三通讯线路金属连接电极和金属支撑的掩膜图形，使用电子束蒸发镀膜和金属剥离技术制作金属连接电极，金属材料为钛钯合金(Ti/Pd)。得到所述第二立体结构。
3.所述第一立体结构和第二立体结构封装，得到所述量子芯片立体结构的步骤：
(12)将步骤(1)-(7)制作完成的所述第一立体结构和步骤(8)-(11)制作完成的所述第二立体结构按照上下结构连接起来，连接规则是通过将第二立体结构中第三通讯线路金属连接电极和第一立体结构中第三通讯线路量子点连接电极的第一垂直部分连接起来共同构成完整的第三通讯线路，通过第三通讯线路将第一立体结构和第二立体结构连接起来，共同构成量子芯片立体结构。
标准样品清洗工艺为：将样品依次使用丙酮(ACE)、三氯乙烯(TCE)、丙酮(ACE)、异丙醇(IPA)及去离子水(DI)各清洗5分钟，每种试剂清洗时伴随超声清洗，最后用高纯氮气吹干。
其中优化的样品清洗工艺为：将样品依次使用丙酮(ACE)、三氯乙烯(TCE)、丙酮(ACE)、异丙醇(IPA)及去离子水(DI)各浸泡5分钟，最后用高纯氮气吹干(此步骤不适用超声清洗，以防止量子点纳米尺寸电极被损坏)。
其中金属剥离技术，使用1-甲基-2吡咯烷酮(NMP)恒温80℃浸泡，其中钛金合金(Ti/Au)、钛钯合金(Ti/Pd)和钴(Co)均浸泡1.5小时。
欧姆接触电极使用的紫外光刻技术，选用AZ5214E做光刻胶，95℃烘烤90秒，显影液使用AZ400K：DI＝1:6，显影1分钟，定影采用去离子水(DI)，定影12秒；将光刻窗口内的二氧化硅用湿法刻蚀工艺(使用BOE溶液)去除(根据氧化硅厚度确定刻蚀时间，10nm氧化硅刻蚀10s)，然后在刻蚀窗口内利用电子束蒸发镀膜钛金合金(Ti/Au)，厚度分别为5nm和45nm，其中钛(Ti)5nm为粘附层，金属剥离采用1-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)试剂在恒温80℃环境下浸泡1.5小时后使用标准清洗工艺清洗。
离子束刻蚀技术去除钛钯合金(Ti/Pd)电极上方的三氧化二铝绝缘层(Al2O3)，使得两次制作的通讯线路电极导通成为整体。具体的使用氩气(Ar),控制流量为10sccm，加速电压25V，刻蚀速度为180s刻蚀约5nm厚的三氧化二铝(Al2O3)。
原子层沉积技术所使用的源根据生长的绝缘层材料确定，通常三氧化二铝(Al2O3)绝缘层使用纯水(H2O)和三甲基铝(TMA),在250℃环境下生长，使用氩气(Ar)作为载气。具体生长时间根据绝缘层厚度确定，一般生长5nm三氧化二铝(Al2O3)需要0.5小时。
超导谐振腔使用的磁控溅射镀膜工艺，选用铌钛合金(NiTi)作为靶材，使用氩气比氮气Ar:N2＝6sccm:10sccm的流量比例，提供氮源，腔体温度保持在250℃，腔体压强0.5Pa，镀膜时间为10s，镀膜厚度为10nm。
超导谐振腔使用的反应离子刻蚀工艺，选用四氟化碳CF4作为刻蚀气体，使用时流量控制在30sccm，腔体压强5Pa左右，刻蚀功率50W，刻蚀时间为90s，刻蚀厚度10nm。
具体地，参考图13-图23，所述分别在所述衬底上制作所述第一立体结构和第二立体结构包括：
制作所述第二立体结构的步骤包括：
在图13中，准备一片质量良好的硅片衬底610作为所述衬底，并将其表面氧化生成高质量的二氧化硅绝缘层620作为绝缘层。通过蒸镀的方式在第一绝缘层表面生长一层超导金属薄膜，然后利用光刻胶和极紫外光刻工艺或者电子束胶和电子束光刻工艺制作相应的掩膜图形，利用反应离子刻蚀去除没有光刻胶或者电子束胶保护的超导金属薄膜，得到质量良好的超导谐振腔601，如图14所示。将超导谐振腔芯片和半导体量子计算芯片封装时，为防止封装过程中的挤压对第三/第四通讯线路的损坏，在超导谐振腔层上蒸镀数个金属支柱606，用于在封装过程中支撑第一立体结构，保护第二通信结构，如图15和图16所示。
制备所述第一立体结构的步骤包括：
在图17-图18中，准备同位素纯化的硅片，在同位素纯化硅层121表面生长一层质量好的二氧化硅(SiO2)绝缘层122，并在加工过程之前完成了对离子注入区103的离子注入。然后通过极紫外光刻或电子束光刻工艺和反应离子刻蚀工艺制作TSV穿硅通孔104，如图19所示。图20中，利用蒸镀的方法沉积金属电极，制作与超导谐振腔601耦合的第三通讯线路量子点连接电极511，分布在半导体量子计算芯片正面部分，然后在最终进行封装时与第三通讯线路金属连接电极512连接在一起形成第三通讯线路。在制作完成与超导谐振腔芯片耦合的第三通讯线路后，需要制备量子点金属电极结构和与外部电路封装的引线层结构。图21中，反复利用极紫外光刻或电子束光刻工艺和金属蒸镀的方法制作第一通讯线路A层的第一垂直电极203、第一通讯线路B层的第二垂直电极303和第二通讯线路的第三垂直电极403，其中由于第一通讯线路B层的第二垂直电极303和第二通讯线路的第三垂直电极403在剖视图中重合，故未标明第一通讯线路B层中第二垂直电极303位置。将电极生长到第一通讯线路A层的表面引线层200处时，制作第一通讯线路A层的金属连接点202和第一通讯线路A层的表面引线201，将电极引导至第一通讯线路A层的引线层200边缘，便于与外部电路封装，然后继续制作第一通讯线路B和第二通讯线路剩下的部分。重复此步骤，得到第一通讯线路B层的引线层300结构，如图22所示，和第二通讯线路的引线层400结构，如图23所示。
综上所述，本申请实施例提供了一种量子芯片立体结构及其制作和封装方法，其中，所述量子芯片立体结构由依次层叠设置的超导谐振腔层、第二通信结构、量子点层、第一绝缘层和第一通信结构构成，其中，所述第一通信结构作为所述量子点层中的量子点的电极存在，将二维排布的量子点的电极以三维结构的形式排布，解决了量子点的电极在二维平面上排布困难的问题，避免了量子点的电极排布所需的平面面积过大的问题，降低了量子芯片立体结构的成本。
此外，所述量子芯片立体结构的量子点之间的耦合均由第一通信结构和第二通信结构调控，实现了所有参数全电控和独立可调的目的，且所述量子芯片立体结构通过RF测量电路对量子点层中量子比特的状态进行读取，不再需要在量子点层中制作用于信号探测的量子点，节省了量子点数量，优化了量子点结构。
进一步的，所述量子芯片立体结构使用超导谐振腔和所述量子点耦合，将分立的量子点层连接起来，使不同量子点层整体形成一个量子点阵列结构，解决了随量子点扩展时由于电极数目增多带来的排布不开的问题。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (9)
1.一种量子芯片立体结构，其特征在于，包括：第一立体结构和第二立体结构；其中，
所述第一立体结构包括依次层叠设置的量子点层、第一绝缘层和第一通信结构，其中，
所述量子点层包括多个阵列排布的量子点；
所述第一绝缘层用于隔离所述量子点层与所述第一通信结构；
所述第一通信结构位于所述第一绝缘层之上，并部分结构与所述量子点层连接，用于将接收的第一直流电压、第二直流电压和第一高频微波信号传输至所述量子点层，并利用所述第一直流电压形成第一调控电场，利用所述第二直流电压形成第二调控电场，以利用所述第一高频微波信号操控所述量子点层中量子点的量子比特的状态，利用所述第一调控电场调控所述量子点之间的耦合强度，利用所述第二调控电场调控所述量子点内的载流子数目；和用于连接RF测量电路，以使所述RF测量电路通过所述第一通信结构向所述量子点层传输第一探测信号，并使所述RF测量电路根据反射的第一探测信号判断所述量子点层中量子比特的状态；
所述第二立体结构包括依次层叠设置的超导谐振腔层和第二通信结构，其中，
所述第二通信结构与所述量子点层和所述超导谐振腔层连接，用于实现所述超导谐振腔层和所述量子点层中的量子点的耦合，和用于将所述超导谐振腔层提供的第三直流电压传输给所述量子点层，以利用所述第三直流电压形成第三调控电场，并利用所述第三调控电场与所述第一调控电场和第二调控电场共同束缚形成量子点；
所述超导谐振腔层还用于接收第二高频微波信号，以利用所述第二高频微波信号读取所述量子点层中量子比特的状态。
2.根据权利要求1所述的量子芯片立体结构，其特征在于，所述量子点层包括中央区域和包围所述中央区域的边缘区域；
所述边缘区域中还包括多个穿硅通孔和多个离子注入区；其中，所述多个穿硅通孔分布于所述边缘区域的四个端点位置，所述多个离子注入区分布于所述边缘区域的四条边上；
所述多个阵列排布的量子点位于所述中央区域中，相邻两个所述量子点之间为可调耦合区域，所述多个量子点中，与所述离子注入区相邻的量子点为第一类量子点，与所述穿硅通孔相邻的量子点为第三类量子点，其他所述量子点为第二类量子点。
3.根据权利要求2所述的量子芯片立体结构，其特征在于，所述量子点层还包括：多个微磁体；
所述多个微磁体分布于所述多个量子点之间的缝隙中，或分布于所述多个穿硅通孔的缝隙中，或分布于所述多个离子注入区的缝隙中。
4.根据权利要求2所述的量子芯片立体结构，其特征在于，所述第一通信结构包括：第一通讯线路层和第二通讯线路层；其中，
所述第一通讯线路层与所述可调耦合区域连接，用于将接收的第一直流电压传输至所述可调耦合区域，并利用所述第一直流电压形成第一调控电场，以利用所述第一调控电场调控所述量子点之间的耦合强度；和用于连接RF测量电路，以使所述RF测量电路通过所述第一通信结构向所述量子点层传输第一探测信号，并使所述RF测量电路根据反射的第一探测信号判断所述量子点层中量子比特的状态；
所述第二通讯线路层与所述量子点层连接，用于将接收的第二直流电压和第一高频微波信号传输给所述量子点层，并利用所述第二直流电压形成第二调控电场，以利用所述第一高频微波信号操控所述量子点层中量子比特的状态，利用所述第二调控电场调控所述量子点内的载流子数目。
5.根据权利要求4所述的量子芯片立体结构，其特征在于，所述第一通讯线路层包括第一通讯线路A层和第一通讯线路B层；其中，
所述第一通讯线路A层包括：第一表面引线、第一金属连接点、第一垂直电极和第一截止点，所述第一表面引线与所述量子点层所在平面平行，用于引出所述第一垂直电极，所述第一垂直电极的一端连接所述第一表面引线，另一端与第一方向延伸的可调耦合区域连接，所述第一表面引线与所述第一垂直电极的连接处为所述第一金属连接点，所述第一垂直电极与所述可调耦合区域的连接端为所述第一截止点；
所述第一通讯线路B层包括：第二表面引线、第二金属连接点、第二垂直电极和第二截止点，所述第二表面引线与所述量子点层所在平面平行，用于引出所述第二垂直电极，所述第二垂直电极的一端连接所述第二表面引线，另一端与第二方向延伸的可调耦合区域连接，所述第二表面引线与所述第二垂直电极的连接处为所述第二金属连接点，所述第二垂直电极与所述可调耦合区域的连接端为所述第二截止点；
所述第一通讯线路A层和第一通讯线路B层用于将接收的第一直流电压传输至所述量子点层，并利用所述第一直流电压形成第一调控电场，以利用所述第一调控电场调控所述量子点之间的耦合强度；还用于连接所述RF测量电路，以使所述RF测量电路通过所述第一通讯线路层向所述量子点层传输第一探测信号，并使所述RF测量电路根据反射的第一探测信号判断所述量子点层中量子比特的状态；
所述第一方向与所述第二方向垂直。
6.根据权利要求5所述的量子芯片立体结构，其特征在于，所述第二通讯线路层包括：
第三表面引线、第三金属连接点、第三垂直电极和第三截止点，所述第三表面引线与所述量子点层所在平面平行，用于引出所述第三垂直电极，所述第三垂直电极的一端连接所述第三表面引线，另一端与所述量子点连接，所述第三表面引线与所述第三垂直电极的连接端为所述第三金属连接点，所述第三垂直电极与所述量子点层的连接端为所述第三截止点。
7.根据权利要求2所述的量子芯片立体结构，其特征在于，所述第二通信结构包括：第三通讯线路和第四通讯线路；
其中，所述第三通讯线路包括量子点连接电极、超导谐振腔连接电极和金属连接电极；
所述量子点连接电极包括第一水平部分和第一垂直部分，所述第一水平部分位于所述第一绝缘层表面，所述第一垂直部分通过所述穿硅通孔贯穿所述量子点层，所述第一垂直部分一端连接所述第一水平部分，另一端连接所述金属连接电极；
所述超导谐振腔连接电极包括第二水平部分和第二垂直部分，所述第二水平部分的一端连接所述金属连接电极，另一端连接所述第二垂直部分；所述第二垂直部分贯穿所述超导谐振腔层的第二绝缘层，远离所述第二水平部分的一端与所述超导谐振腔层连接，所述第二垂直部分与所述超导谐振腔层的连接端为第四截止点；
所述第四通讯线路包括第一连接电极和第二连接电极，其中，所述第一连接电极的一端与所述超导谐振腔层的信号输入板连接，另一端用于接收所述第二高频微波信号，所述第一连接电极与所述信号输入板的连接端为第五截止点；所述第二连接电极的一端与所述超导谐振腔层的直流电极连接，另一端用于接收所述第三直流电压。
8.根据权利要求7所述的量子芯片立体结构，其特征在于，所述超导谐振腔层包括：多个超导谐振腔；
所述超导谐振腔包括：第二绝缘层、中央导带线、直流电极、金属支撑、耦合电极和两个信号输入板；其中，
所述中央导带线的两端分别连接两个所述信号输入板，所述超导谐振腔的电压节点引出所述耦合电极，所述耦合电极通过所述第三通讯线路与所述第三类量子点连接；
所述直流电极用于接收所述第三直流电压，所述第三直流电压通过所述耦合电极施加到所述第三类量子点上，形成第三调控电场，并利用所述第三调控电场与所述第一调控电场和第二调控电场共同束缚形成量子点；
所述信号输入板用于接收所述第二高频微波信号；
所述金属支撑用于支撑上层结构；
所述第二绝缘层用于承载所述第四通讯线路。
9.一种量子芯片立体结构的制作和封装方法，其特征在于，包括：
提供衬底；
分别在所述衬底上制作第一立体结构和第二立体结构，
所述第一立体结构具体为在所述衬底上依次层叠的量子点层、第一绝缘层和第一通信结构，其中，
所述量子点层包括多个阵列排布的量子点；
所述第一绝缘层用于隔离所述量子点层与所述第一通信结构；
所述第一通信结构位于第一绝缘层之上，并部分结构与所述量子点层连接，用于将接收的第一直流电压、第二直流电压和第一高频微波信号传输至所述量子点层，并利用所述第一直流电压形成第一调控电场，利用所述第二直流电压形成第二调控电场，以利用所述第一高频微波信号操控所述量子点层中量子比特的状态，利用所述第一调控电场调控所述量子点之间的耦合强度，利用所述第二调控电场调控所述量子点内的载流子数目；和用于连接RF测量电路，以使所述RF测量电路通过所述第一通信结构向所述量子点层传输第一探测信号，并使所述RF测量电路根据反射的第一探测信号判断所述量子点层中量子比特的状态；
所述第二立体结构具体为在所述衬底上依次层叠的超导谐振腔层和第二通信结构，其中，
所述第二通信结构与所述量子点层和所述超导谐振腔层连接，用于实现所述超导谐振腔层和所述量子点层中的量子点的耦合，和用于将所述超导谐振腔层提供的第三直流电压传输给所述量子点层，以利用所述第三直流电压形成第三调控电场，并利用所述第三调控电场与所述第一调控电场和第二调控电场共同束缚形成量子点；
所述超导谐振腔层还用于接收第二高频微波信号，以利用所述第二高频微波信号读取所述量子点层中量子比特的状态；
所述第一立体结构和所述第二立体结构上下层叠，通过所述第三通讯线路连接起来，共同构成所述量子芯片立体结构。
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