CN117979815A - 基于铌膜缓冲层的α相钽膜超导量子比特 - Google Patents
基于铌膜缓冲层的α相钽膜超导量子比特 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117979815A CN117979815A CN202410167219.4A CN202410167219A CN117979815A CN 117979815 A CN117979815 A CN 117979815A CN 202410167219 A CN202410167219 A CN 202410167219A CN 117979815 A CN117979815 A CN 117979815A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- film
- buffer layer
- niobium
- alpha
- superconducting qubit
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 70
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 70
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 64
- 239000010955 niobium Substances 0.000 title claims abstract description 64
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium atom Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 64
- 239000002096 quantum dot Substances 0.000 title claims abstract description 52
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims abstract description 28
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 16
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 claims abstract description 14
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 claims abstract description 14
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 claims abstract description 13
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims abstract description 7
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims abstract description 7
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 17
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 15
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims description 10
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims description 8
- 238000005566 electron beam evaporation Methods 0.000 claims description 6
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 claims description 6
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 5
- 238000001459 lithography Methods 0.000 claims description 5
- SECXISVLQFMRJM-UHFFFAOYSA-N N-Methylpyrrolidone Chemical compound CN1CCCC1=O SECXISVLQFMRJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 claims description 4
- 238000004299 exfoliation Methods 0.000 claims description 4
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 claims description 4
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 claims description 3
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 claims description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 9
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 7
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000000264 spin echo pulse sequence Methods 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 229910001275 Niobium-titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N Titanium nitride Chemical compound [Ti]#N NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- CFJRGWXELQQLSA-UHFFFAOYSA-N azanylidyneniobium Chemical compound [Nb]#N CFJRGWXELQQLSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000013401 experimental design Methods 0.000 description 1
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- RJSRQTFBFAJJIL-UHFFFAOYSA-N niobium titanium Chemical compound [Ti].[Nb] RJSRQTFBFAJJIL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000006911 nucleation Effects 0.000 description 1
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 description 1
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 230000005641 tunneling Effects 0.000 description 1
Landscapes
- Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于铌膜缓冲层的α相钽膜超导量子比特，包括传输线、四分之一波长读出谐振器、超导量子比特，其中：四分之一波长读出谐振器一端与传输线耦合，另一端与超导量子比特耦合；超导量子比特由两个电容极板和约瑟夫森结构成；通过磁控溅射设备，在蓝宝石基底上常温生长铌膜作为缓冲层，紧接着在已有缓冲层铌膜的蓝宝石基底上继续常温生长钽膜，得到有铌膜缓冲层的α相钽膜；传输线、四分之一波长读出谐振器、超导量子比特的两个电容极板光刻在有铌膜缓冲层的α相钽膜上。本发明有效降低了超导量子比特制备成本，缩短了制备周期，提高了良品率，提升了超导量子比特性能，具有广泛的应用领域，包括但不限于量子计算、量子通信等。
Description
技术领域
本发明涉及量子计算技术领域，尤其涉及超导量子比特的制备、测量等内容。
背景技术
随着晶体管尺寸逐渐接近其物理极限，传统计算机所使用的晶体管数量无法持续增长下去，且传统计算机在尺寸不断缩小的同时，面临了热耗散、量子隧穿效应等问题，这些问题使得继续大幅度提升传统计算机的集成度和性能变得困难。在这种需求下，量子计算机应运而生。量子计算机利用叠加态的特性，能够在同一时间处理多个可能性，从而实现强大的并行计算。因此，在某些问题上，量子计算机的速度远远超过传统计算机。超导量子比特作为一种宏观尺度的系统，可以由人工按照需求进行设计，制备工艺与传统的半导体工艺兼容，因此，超导量子比特更容易扩展、操控，已成为最有希望实现量子计算机的系统之一。
目前超导量子比特多采用铌膜、铝膜、钽膜、氮化铌、氮化钛、铌钛氮等材料来作为比特的外电路，众多材料中，钽膜因其氧化物较为单一，其中α相的钽膜具有较低的损耗，所以用其制备的超导量子比特具有优异的性能。但是α相钽膜的生长通常需要进行高温加热，因此薄膜的生长成本较高、周期较长。基于此，需要一种能够常温生长、低损耗的α相钽膜，且能够用其制备出性能优异的超导量子比特。本发明提出了一种利用磁控溅射在钽膜与基底之间生长一层铌膜作为缓冲层，进而可以常温生长出α相钽膜的方法，并利用该基于铌膜缓冲层的α相钽膜制备出性能优异的超导量子比特。
发明内容
本发明的目的在于提出一种可以常温生长的α相钽膜，并用其制备的超导量子比特具有优异的性能，可降低超导量子比特工艺成本和缩短周期的方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于铌膜缓冲层的α相钽膜超导量子比特，包括传输线(101)、四分之一波长读出谐振器(102)、超导量子比特(103)，其中：四分之一波长读出谐振器(102)一端与传输线(101)耦合，另一端与超导量子比特(103)耦合；所述超导量子比特(103)由两个电容极板(201、202)和约瑟夫森结(203)构成，所述钽膜是由磁控溅射生长而成的、具有铌膜作为缓冲层的，常温生长而成的晶向为α相的钽膜，通过磁控溅射设备，在蓝宝石基底上常温生长铌膜作为缓冲层，紧接着在已有缓冲层铌膜的蓝宝石基底上继续常温生长钽膜，得到有铌膜缓冲层的α相钽膜；传输线(101)、四分之一波长读出谐振器(102)、超导量子比特的两个电容极板(201、202)光刻在有铌膜缓冲层的α相钽膜上。
进一步的，四分之一波长读出谐振器(102)和传输线(101)采用共面波导传输线形式。
进一步的，读出谐振器(102)与超导量子比特(103)之间通过电容耦合，读出谐振器(102)与传输线(101)通过电感耦合。
进一步的，铌膜缓冲层的厚度为0.3-60nm之间，钽膜的厚度为100-300nm之间。
进一步的，制备过程如下：
步骤1，利用磁控溅射设备，在蓝宝石基底上常温生长铌膜作为缓冲层，紧接着在已有缓冲层铌膜的蓝宝石基底上继续常温生长钽膜，得到有铌膜缓冲层的α相钽膜；钽膜在生长过程中没有任何加热步骤，从开始生长铌膜缓冲层一直到钽膜生长结束，样品一直在磁控溅射设备中，未被取出，避免氧化。
步骤2，在有铌膜缓冲层的α相钽膜上，通过光刻、刻蚀做出超导量子比特的外电路，包括传输线(101)、四分之一波长读出谐振器(102)、超导量子比特的两个电容极板(201、202)；
步骤3，将步骤2光刻、刻蚀得到的带有超导量子比特外电路的样品放入电子束曝光设备中，套刻绘制约瑟夫森结图形；
步骤4，将步骤3得到的带有约瑟夫森结图形的样品放入电子束蒸发设备中，进行第一次镀膜、氧化、第二次镀膜和保护氧化，制备出约瑟夫森结的结构；
步骤5，通过N-甲基吡咯烷酮剥离形成约瑟夫森结。
进一步的，步骤2的光刻采用的是激光直写的无掩模版光刻曝光。
进一步的，步骤4电子束蒸发做结时，第一次镀膜和第二次镀膜之间带有约瑟夫森结图形的样品在蒸发室旋转了90度，即两次镀膜方向垂直。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：使用铌膜加钽膜双层膜来作为超导量子比特的外电路，不需要高温生长薄膜，大大降低了薄膜生长所需的设备要求，提高了良品率，缩短了整个工艺周期。
附图说明
图1是本发明基于铌膜加钽膜双层膜的超导量子比特的平面结构设计图。
图2是本发明超导量子比特设计图。
图3是本发明基于铌膜缓冲层的α相钽膜构成部分的示意图。
图4是本发明薄膜的XRD结果图。
图5是本发明超导量子比特的能量弛豫时间多次测量结果。
图6是本发明采用自旋回波序列对超导量子比特相位弛豫时间进行多次测量结果。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本发明提供一种常温生长基于铌膜缓冲层的α相钽膜，并用该薄膜制备高性能超导量子比特，所述钽膜是由磁控溅射常温生长而成的、具有铌膜作为缓冲层的、晶向为α相的钽膜。由位于蓝宝石(Al2O3)基片(301)和钽膜(303)之间的铌膜(302)以及顶部钽膜(303)的共同构成。在钽膜的生长过程中先常温生长一层铌膜作为缓冲层，由于铌是体心立方结构，其晶格常数更接近于α晶向的钽膜，可以促进α晶向钽膜在铌膜上的成核和生长。但是这里需要保证铌膜缓冲层的厚度合适，不同的铌膜厚会使得钽膜晶向不同，这里铌膜的厚度要能够使得最终生长出的钽膜是α相的。
所述超导量子比特是基于该钽膜作为外电路构成的，超导量子比特的设计采用了由单个约瑟夫森结构成的传输子量子比特的设计，由电容极板201、202以及约瑟夫森结203共同组成。比特的性能表明由基于铌膜缓冲层的α相钽膜制备的量子比特具有广阔的应用前景。
超导量子比特，包括传输线(101)、四分之一波长读出谐振器(102)、超导量子比特(103)，其中：四分之一波长读出谐振器(102)一端与传输线(101)耦合，另一端与超导量子比特(103)耦合；所述超导量子比特(103)由两个电容极板(201、202)和约瑟夫森结(203)构成，四分之一波长读出谐振器(102)和传输线(101)采用共面波导传输线形式。读出谐振器(102)与超导量子比特(103)之间通过电容耦合，读出谐振器(102)与传输线(101)通过电感耦合。
外电路指的是传输线(101)、四分之一波长读出谐振器(102)、超导量子比特的两个电容极板(201、202)。这些结构是钽膜制备的。制备过程如下：
步骤1，利用磁控溅射设备，在蓝宝石基底上常温生长铌膜作为缓冲层，紧接着在已有缓冲层铌膜的蓝宝石基底上继续常温生长钽膜，得到有铌膜缓冲层的α相钽膜。铌膜缓冲层的厚度一般在0.3-60nm之间，钽膜的厚度为100-300nm之间。钽膜在生长过程中没有任何加热步骤，从开始生长铌膜缓冲层一直到钽膜生长结束，样品一直在磁控溅射设备中，未被取出，避免氧化。
步骤2，在有铌膜缓冲层的α相钽膜上，通过光刻做出超导量子比特的外电路，包括传输线(101)、四分之一波长读出谐振器(102)、超导量子比特的两个电容极板(201、202)。此处，光刻采用的是激光直写的无掩模版光刻曝光。
步骤3，将步骤2光刻得到的带有超导量子比特外电路的样品放入电子束曝光设备中，套刻绘制约瑟夫森结图形；
步骤4，将步骤3得到的带有约瑟夫森结图形的样品放入电子束蒸发设备中，进行第一次镀膜、氧化、第二次镀膜和保护氧化，制备出约瑟夫森结的结构。第一次镀膜和第二次镀膜之间样品在蒸发室旋转了90度，即两次镀膜方向垂直。
步骤5，通过N-甲基吡咯烷酮剥离形成约瑟夫森结。
实施例
为了验证本发明方案的有效性，进行如下实验设计。
本实施中，采用磁控溅射常温生长基于铌膜缓冲层的α相钽膜，其中作为缓冲层的铌膜厚度为14nm，钽膜的厚度为150nm。超导量子比特的设计采用由单个约瑟夫森结构成的传输子量子比特。采用如下步骤来制备基于铌膜缓冲层的钽膜超导量子比特：
1.使用磁控溅射设备，在蓝宝石基底上常温生长14nm铌膜作为缓冲层，紧接着在已有缓冲层铌膜的蓝宝石基底上继续常温生长的150nm的钽膜；
2.在铌膜作为缓冲层的α相钽膜上，通过激光直写和显影刻蚀做出传输线(101)、四分之一波长读出谐振器(102)、超导量子比特的两个电容极板(201、202)；
3.通过电子束曝光套刻绘制约瑟夫森结图形203；
4.将带有约瑟夫森结图形的片子放入电子束蒸发设备中，通过第一次镀膜、氧化、旋转90度第二次镀膜、保护氧化的过程制备出约瑟夫森结的结构；
5.通过N-甲基吡咯烷酮剥离形成约瑟夫森结。
图4为本实施例用作外电路的常温生长的α相钽膜的XRD图，表明薄膜的晶相主要为110相(即α相)。
为了便于测试量子比特，需要将超导量子比特与谐振器耦合起来，并且通过传输线101传输谐振器信号。输入输出信号从传输线101其中一个端口输入，另一个端口输出。输入信号经过衰减器、滤波器达到样品端，输出信号经过滤波器、环形器、低温放大器到达室温。图5为本实施例的实际器件在15mK低温环境下，测量得到的超导量子比特的能量弛豫时间随测量次数的变化图。图6为本实施例的实际器件在15mK低温环境下，采用自旋回波序列测量得到的超导量子比特相位退相干时间随测量次数的变化图。通过测试可以发现比特的能量弛豫时间平均值高于80μs，相位退相干时间平均值高于10μs。从样品的退相干时间来看，该常温生长的钽膜做成的超导量子比特具有巨大的应用前景。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (7)
1.一种基于铌膜缓冲层的α相钽膜超导量子比特，包括传输线(101)、四分之一波长读出谐振器(102)、超导量子比特(103)，其中：四分之一波长读出谐振器(102)一端与传输线(101)耦合，另一端与超导量子比特(103)耦合；所述超导量子比特(103)由两个电容极板(201、202)和约瑟夫森结(203)构成，其特征在于，通过磁控溅射设备，在蓝宝石基底上常温生长铌膜作为缓冲层，紧接着在已有缓冲层铌膜的蓝宝石基底上继续常温生长钽膜，得到有铌膜缓冲层的α相钽膜；传输线(101)、四分之一波长读出谐振器(102)、超导量子比特的两个电容极板(201、202)光刻在有铌膜缓冲层的α相钽膜上。
2.根据权利要求1所述的基于铌膜缓冲层的α相钽膜超导量子比特，其特征在于，四分之一波长读出谐振器(102)和传输线(101)采用共面波导传输线形式。
3.根据权利要求1所述的基于铌膜缓冲层的α相钽膜超导量子比特，其特征在于，读出谐振器(102)与超导量子比特(103)之间通过电容耦合，读出谐振器(102)与传输线(101)通过电感耦合。
4.根据权利要求1所述的基于铌膜缓冲层的α相钽膜超导量子比特，其特征在于，铌膜缓冲层的厚度为0.3-60nm之间，钽膜的厚度为100-300nm之间。
5.根据权利要求1所述的基于铌膜缓冲层的α相钽膜超导量子比特，其特征在于，制备过程如下：
步骤1，利用磁控溅射设备，在蓝宝石基底上常温生长铌膜作为缓冲层，紧接着在已有缓冲层铌膜的蓝宝石基底上继续常温生长钽膜，得到有铌膜缓冲层的α相钽膜；
步骤2，在有铌膜缓冲层的α相钽膜上，通过光刻、刻蚀做出超导量子比特的外电路，包括传输线(101)、四分之一波长读出谐振器(102)、超导量子比特的两个电容极板(201、202)；
步骤3，将步骤2光刻、刻蚀得到的带有超导量子比特外电路的样品放入电子束曝光设备中，套刻绘制约瑟夫森结图形；
步骤4，将步骤3得到的带有约瑟夫森结图形的样品放入电子束蒸发设备中，进行第一次镀膜、氧化、第二次镀膜和保护氧化，制备出约瑟夫森结的结构；
步骤5，通过N-甲基吡咯烷酮剥离形成约瑟夫森结。
6.根据权利要求5所述的基于铌膜缓冲层的钽膜超导量子比特，其特征在于，步骤2的光刻采用的是激光直写的无掩模版光刻曝光。
7.根据权利要求5所述的基于铌膜缓冲层的钽膜超导量子比特，其特征在于，步骤4电子束蒸发做结时，第一次镀膜和第二次镀膜之间带有约瑟夫森结图形的样品在蒸发室旋转了90度，即两次镀膜方向垂直。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410167219.4A CN117979815A (zh) | 2024-02-06 | 2024-02-06 | 基于铌膜缓冲层的α相钽膜超导量子比特 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410167219.4A CN117979815A (zh) | 2024-02-06 | 2024-02-06 | 基于铌膜缓冲层的α相钽膜超导量子比特 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117979815A true CN117979815A (zh) | 2024-05-03 |
Family
ID=90846021
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202410167219.4A Pending CN117979815A (zh) | 2024-02-06 | 2024-02-06 | 基于铌膜缓冲层的α相钽膜超导量子比特 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117979815A (zh) |
-
2024
- 2024-02-06 CN CN202410167219.4A patent/CN117979815A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10803396B2 (en) | Quantum circuit assemblies with Josephson junctions utilizing resistive switching materials | |
| US11177912B2 (en) | Quantum circuit assemblies with on-chip demultiplexers | |
| US11972794B2 (en) | Superconductive memory cells and devices | |
| US5326745A (en) | Superconducting device with C-axis orientation perpendicular to current flow | |
| WO2019032115A1 (en) | QUANTIC BIT DEVICES WITH JOSEPHSON JUNCTION CONNECTED BELOW SUPPORT CIRCUITS | |
| JP2798361B2 (ja) | 結晶粒界チャンネルをもつ超伝導電界効果素子とその製造方法 | |
| JP2003519927A (ja) | ｓ波超伝導体とｄ波超伝導体との間のジョセフソン接合を用いた量子ビット | |
| CN111868757B (zh) | 减少量子比特系统中的寄生电容 | |
| Schmidt et al. | Measured performance at 77 K of superconducting microstrip resonators and filters | |
| US20030102470A1 (en) | Oxygen doping of josephson junctions | |
| WO2023066261A1 (zh) | 一种超导量子电路及其制备方法、一种量子计算机 | |
| CN115049063A (zh) | 超导量子比特快速读取与重置方法、系统及装置 | |
| CN117979815A (zh) | 基于铌膜缓冲层的α相钽膜超导量子比特 | |
| US5446016A (en) | Method for forming a patterned oxide superconductor thin film | |
| Dresselhaus et al. | Stacked SNS Josephson junction arrays for quantum voltage standards | |
| JPH05335638A (ja) | ジョセフソン接合構造体およびその作製方法 | |
| CN217690116U (zh) | 一种读取电路及量子计算机 | |
| CN111953308B (zh) | 一种磁通驱动约瑟夫森参量放大器及其制备方法 | |
| CN115759272B (zh) | 超导量子比特电路及其制备方法和量子计算机 | |
| Tang et al. | Epitaxial Tl2Ba2CaCu2O8 superconducting thin film on Sr2 (AlTa) O6 buffer layer | |
| US20240065115A1 (en) | Coherent quantum information systems | |
| CN115458675B (zh) | 钽金属薄膜处理方法、量子器件及量子芯片 | |
| JP2761504B2 (ja) | 酸化物超伝導デバイスおよびその製造方法 | |
| JP3167768B2 (ja) | 粒界ジョセフソン素子及びその製造方法 | |
| JP2879010B2 (ja) | 超電導素子 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |