DE112017008244B4 - Architektur mit geringen verlusten für supraleitende qubit-schaltkreise - Google Patents

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Abstract

Struktur, die aufweist:eine erste Oberfläche, die ein induktives, spiralförmiges Element eines Resonators aufweist; undeine zweite Oberfläche, die einen ersten Bereich eines kapazitiven Elements des Resonators und zumindest ein Qubit aufweist, wobei sich ein zweiter Bereich des kapazitiven Elements des Resonators auf der ersten Oberfläche befindet, wobei sich das induktive, spiralförmige Element um den zweiten Bereich des kapazitiven Elements windet.

Description

  • HINTERGRUND
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf supraleitende Strukturen und spezieller auf Architekturen mit geringen Verlusten für supraleitende Qubit-Schaltkreise.
  • Elektronische Datenverarbeitung mit einem supraleitenden Quanten-Computer ist eine Realisierung eines Quanten-Computers in supraleitenden elektronischen Schaltkreisen. Quanten-Berechnungen untersuchen die Anwendung von Quanten-Phänomenen für die Informationsverarbeitung und den Informationsaustausch. Der grundlegende Baustein für einen derartigen Quanten-Computer ist das Quantenbit oder Qubit. Als eine Verallgemeinerung ist ein Qubit dem klassischen Bit dahingehend ähnlich, dass es sich um ein System mit zwei diskreten Zuständen handelt, das sich in den diskreten Quanten-Zuständen 11) und 12) ebenso wie in beliebigen Überlagerungszuständen befinden kann. Bei diesen diskreten Quanten-Zuständen kann es sich um irgendeinen Satz von zwei mechanischen Quanten-Ebenen handeln folgende Änderungen wurden an in der Beschreibung, wie beispielsweise Elektronenspin oder Kernspin, oder um ein Paar von Energieniveaus in einem Atom, einem Ion oder einem Molekül. Ähnlich wie bei universellen logischen Verknüpfungen existiert ebenfalls ein Satz von Quanten-Gattern die universell sind, so dass Kombinationen von Gattern komplexe Quanten-Algorithmen realisieren können. Bei einem Quanten-Gatter handelt es sich um eine Verallgemeinerung eines Logikgatters. Das Quanten-Gatter beschreibt jedoch die Transformation, die ein oder mehrere Qubits erfahren, nachdem das Gatter, bei gegebenem Anfangszustand, auf diese angewendet wurde.
  • Die mit dem Qubit verknüpfte elektromagnetische Energie kann in sogenannten Josephson-Übergängen und in den kapazitiven und induktiven Elementen gespeichert werden, die zur Bildung des Qubit verwendet werden. Bei einem Beispiel wird zum Auslesen des Qubit-Zustands ein Mikrowellen-Signal an den Mikrowellen-Auslese-Hohlraum angelegt, der bei der Hohlraumfrequenz mit dem Qubit koppelt. Das übermittelte (oder reflektierte) Mikrowellensignal durchläuft mehrere thermische Isolationsstufen und Verstärker mit geringem Rauschen, die erforderlich sind, um das Rauschen zu blockieren oder zu reduzieren und das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern. Das Mikrowellen-Signal wird bei Raumtemperatur gemessen. Die Amplitude und/oder die Phase des zurückgesendeten/ausgegebenen Mikrowellensignals transportiert oder transportieren Informationen in Bezug auf den Qubit-Zustand, wie beispielsweise, ob sich das Qubit in einem Grundzustand, einem angeregten Zustand oder einer Überlagerung der zwei Zustände befindet.
  • In diesem Kontext gibt es bereits einige Veröffentlichungen: das Dokument WO 2017 / 007 446 A1 beschreibt einen Quanteninformationsverarbeitungsschaltkreis mit einer kompakten Vorrichtung auf der Oberfläche eines dielektrischen Substrates. Dabei kann die kompakte Vorrichtung einen Kondensatoranschluss und eine induktive Übertragungsleitung aufweisen. Der Kondensatoranschluss kann kapazitiv mit einem anderen Kondensatoranschluss gekoppelt sein.
  • Das Dokument von GAMBETTA, Jay M.; CHOW, Jerry M.; STEFFEN, Matthias: Building logical qubits in a superconducting quantum computing system. npj Quantum Information, 2017, 3. Jg., Nr. 1, S. 1-7 beschreibt verschiedene Ansätze auf dem Weg zu logischen Speichern mittels supraleitenden Qubits. Und schließlich beschreibt das Dokument von ROSENBERG, D. [et al.]: 3D integrated superconducting qubits. npj quantum information, 2017, 3. Jg., Nr. 1, S. 1-5 einen Flip-Chip-Prozess, um einen Chip mit supraleitenden Qubits an einen anderen Chip zu bonden, welcher Strukturen zum Auslesen und zur Kontrolle der Qubits aufweist.
  • Auch angesichts der bekannten Literatur wäre es wünschenswert, bessere supraleitende Strukturen und Architekturen mit geringen Verlusten für supraleitende Qubit-Schaltkreise verfügbar zu machen.
  • KURZDARSTELLUNG
  • Diese Aufgabe wird durch die die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausführungsbeispiele sind durch die jeweils abhängigen Ansprüche beschrieben. In Folgenden werden Ausführungsformen und Aspekte der Erfindung weiter detailliert.
  • Figurenliste
  • Die Besonderheiten der Exklusivrechte, die hierin beschrieben sind, sind in den Ansprüchen am Ende der Beschreibung spezifisch dargelegt und eindeutig beansprucht. Das Vorstehende und weitere Merkmale und Vorteile der Ausführungsformen der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich, in denen:
    • 1 ein schematisches Schaltbild von zwei gekoppelten Qubits mit individuellem Auslesen gemäß Ausführungsformen der Erfindung darstellt;
    • 2 eine Draufsicht auf einen Bereich einer Qubit-Ebene gemäß Ausführungsformen der Erfindung darstellt;
    • 3 eine Draufsicht auf einen Bereich einer Auslese-Ebene gemäß Ausführungsformen der Erfindung darstellt;
    • 4 eine Querschnittsansicht eines Bereichs der Qubit-Ebene und der Auslese-Ebene gemäß Ausführungsformen der Erfindung darstellt;
    • 5 eine Querschnittsansicht eines Bereichs der Qubit-Ebene und der Auslese-Ebene gemäß Ausführungsformen der Erfindung darstellt;
    • 6 ein beispielhaftes Layout eines Qubit darstellt, das mit einem Auslese-Resonator und einem Bus-Resonator gemäß Ausführungsformen der Erfindung koppelt;
    • 7 ein Flussdiagramm eines Verfahrens für ein Bilden einer Struktur gemäß Ausführungsformen der Erfindung darstellt;
    • 8 ein Flussdiagramm eines Verfahrens für ein Bilden einer Struktur gemäß Ausführungsformen der Erfindung darstellt;
    • 9 ein Flussdiagramm eines Verfahrens für ein Bilden einer Struktur gemäß Ausführungsformen der Erfindung darstellt;
    • 10 eine vereinfachte Version einer Draufsicht für einen beispielhaften Resonator gemäß Ausführungsformen der Erfindung darstellt;
    • 11 eine Querschnittsansicht des Resonators in 10 gemäß Ausführungsformen der Erfindung darstellt;
    • 12 eine vereinfachte Version einer Draufsicht für einen beispielhaften Resonator gemäß Ausführungsformen der Erfindung darstellt;
    • 13 eine Querschnittsansicht des Resonators in 12 gemäß Ausführungsformen der Erfindung darstellt;
    • 14 eine vereinfachte Version einer Draufsicht für einen beispielhaften Resonator gemäß Ausführungsformen der Erfindung darstellt;
    • 15 eine Querschnittsansicht des beispielhaften Resonators in 14 gemäß Ausführungsformen der Erfindung darstellt;
    • 16 eine vereinfachte Version einer Draufsicht für einen beispielhaften Resonator gemäß Ausführungsformen der Erfindung darstellt;
    • 17 eine Querschnittsansicht des Resonators in 16 gemäß Ausführungsformen der Erfindung darstellt;
    • 18 eine vereinfachte Version einer Draufsicht für einen beispielhaften Resonator gemäß Ausführungsformen der Erfindung darstellt;
    • 19 eine Querschnittsansicht des Resonators in 18 gemäß Ausführungsformen der Erfindung darstellt;
    • 20 eine vereinfachte Version einer Draufsicht für einen beispielhaften Resonator gemäß Ausführungsformen der Erfindung darstellt;
    • 21 eine Querschnittsansicht des Resonators in 20 gemäß Ausführungsformen der Erfindung darstellt;
    • 22 eine vereinfachte Version einer Draufsicht für einen beispielhaften Resonator gemäß Ausführungsformen der Erfindung darstellt;
    • 23 eine Querschnittsansicht des Resonators in 22 gemäß Ausführungsformen der Erfindung darstellt;
    • 24 eine vereinfachte Version einer Draufsicht für einen beispielhaften Resonator gemäß Ausführungsformen der Erfindung darstellt;
    • 25 eine Querschnittsansicht des Resonators in 22 gemäß Ausführungsformen der Erfindung darstellt;
    • 26 ein Flussdiagramm eines Verfahrens für ein Bilden einer Struktur gemäß Ausführungsformen der Erfindung darstellt;
    • 27 ein Flussdiagramm eines Verfahrens für ein Bilden einer Struktur gemäß Ausführungsformen der Erfindung darstellt; und
    • 28 ein Flussdiagramm für ein Bilden eines supraleitenden Qubit-Schaltkreises gemäß Ausführungsformen der Erfindung darstellt.
  • Die hier dargestellten Schaubilder sind illustrativ. Es kann viele Variationen für die Schaubilder oder die darin beschriebenen Arbeitsvorgänge geben, ohne von dem Inhalt der Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel können Maßnahmen in einer anderen Reihenfolge durchgeführt werden, oder es können Maßnahmen hinzugefügt, eliminiert oder modifiziert werden. Außerdem beschreibt der Begriff „gekoppelt“ und Variationen desselben, dass ein Pfad für einen Informationsaustausch zwischen zwei Elementen vorhanden ist, und impliziert keine direkte Verbindung zwischen den Elementen ohne dazwischen liegende Elemente/Verbindungen zwischen diesen. Sämtliche dieser Variationen werden als ein Teil der Beschreibung betrachtet.
  • In den beigefügten Figuren und der folgenden detaillierten Beschreibung der offenbarten Ausführungsformen sind die unterschiedlichen Elemente, die in den Figuren darstellt sind, mit Bezugszeichen mit zwei oder drei Ziffern versehen. Mit geringfügigen Ausnahmen entspricht (entsprechen) die am weitesten links gelegene(n) Ziffer(n) jedes Bezugszeichens der Figur, in der dieses Element als erstes dargestellt ist.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Der Kürze halber ist es möglich, dass herkömmliche Techniken in Bezug auf die Herstellung von Halbleiter- und/oder supraleitenden Einheiten und die Herstellung integrierter Schaltungen (IC-Herstellung) hier im Detail beschrieben sind oder nicht beschrieben sind. Darüber hinaus können unterschiedliche Arbeitsgänge und Prozessschritte, die hierin beschrieben sind, in ein umfassenderes Verfahren oder einen umfassenderen Prozess eingebaut werden, der weitere Schritte oder Funktionalitäten aufweist, die hier nicht im Detail beschrieben sind. Insbesondere sind unterschiedliche Schritte bei der Herstellung von Halbleiter- und/oder supraleitenden Einheiten und ICs auf der Grundlage von Halbleitern/Supraleitern allgemein bekannt, und so werden im Interesse der Kürze viele herkömmliche Schritte hier nur kurz erwähnt oder werden insgesamt weggelassen, ohne die Details der allgemein bekannten Prozesse bereitzustellen.
  • Sich nunmehr einer Übersicht über Technologien zuwendend, die für Aspekte der Erfindung spezifischer relevant sind, sind Techniken in Bezug auf ein „Aufbrechen der Ebene“ notwendig, um Hardware für eine elektronische Datenverarbeitung mit einem supraleitenden Quanten-Computer für größere Qubit-Prozessoren in einer erweiterbaren Weise auszubauen, wie zum Beispiel 17 Qubits in einem Abstand-Drei-Oberflächen-Code-Layout oder größer. Wissenschaftler des Stands der Technik entwickeln eine Flip-Chip-Technologie und/oder Silicium-Durchkontakte (TSVs) unter Verwendung von supraleitenden Materialien, um dieses Ziel zu erreichen. Dies resultiert in der Einführung von verlustbehafteten Materialien und/oder Verbindungen, die möglicherweise mit den Qubits koppeln und Qubit-Kohärenzzeiten begrenzen, wenn die Verteilungen von elektromagnetischen Feldern an den Übergangs-/Verbindungsbereichen nicht günstig gesteuert/ausgelegt sind. Eine typische Verwendung von Bumps und/oder Silicium-Durchkontakten, um unterschiedliche Schaltkreise innerhalb eines supraleitenden Qubit-Chips zu verbinden, umfassen entweder Flusssteuerungen oder Signalübertragungen. Da es sich bei Transmon-Qubits, einem verbreiteten supraleitenden Qubit, um elektromagnetische Schaltkreise handelt, gibt es eine Anzahl von Faktoren in ihrer Umgebung, die ihr Leistungsvermögen verschlechtern können, wie beispielsweise Fluktuatoren, die mit dem Qubit gekoppelt sind, sowie Verluste in den Materialien und/oder Verbindungen. Qubit-Fehler können entweder als Relaxation oder Phasenverschiebung klassifiziert werden.
  • Sich nunmehr einer Übersicht über die Aspekte der Erfindung zuwendend, befassen sich eine oder mehrere Ausführungsformen der Erfindung mit den vorstehend beschriebenen Defiziten des Stands der Technik, indem eine neuartige Resonator-Struktur bereitgestellt wird. Spezifischer befassen sich die vorstehend beschriebenen Aspekte der Erfindung mit den Defiziten des Stands der Technik, indem eine kompakte Resonator-Struktur (konzentriertes Element) bereitgestellt wird, die zwei supraleitende Schaltkreisebenen überspannt, und die kompakte Resonator-Struktur hält den Großteil der kapazitiven Energie, die auf der einen Ebene gespeichert ist, und den Großteil der induktiven Energie, die auf der anderen Ebene gespeichert ist. Im Zusammenhang mit Qubit-Schaltkreisen ermöglicht diese kompakte Resonator-Struktur, elektrische Ströme von der Qubit-Ebene fern und auf dem Auslese-Pfad zu halten.
  • Die Realisierung eines Flip-Chips erfordert Herstellungsschritte, die über das hinausgehen, was notwendig ist, um supraleitende Quanten-Bits (Qubits) herzustellen. Jeder neue Herstellungsschritt kann neue Verlustpfade mit sich bringen, die nachteilig für die Quanten-Kohärenz und/oder den Betrieb der Qubits sind. Im weitesten Sinn ist ein Halten von verlustbehafteten Komponenten auf den Auslese-Pfaden, die sich klassischer verhalten, erwünschter als ein Einbringen von verlustbehafteten Komponenten in der Nähe von Qubits oder von verlustbehafteten Komponenten in den Zwischenverbindungen zwischen Qubits, die sich quantenmechanischer verhalten müssen. Ein geringer Fußabdruck der erforderlichen resonanten Strukturen in dem Quanten-Schaltkreis ist für eine Skalierung von Vorteil, wie hierin erörtert. Elektromagnetische Felder an den Übergangs-/Verbindungsbereichen des kompakten Resonators werden günstig gesteuert/ausgelegt, um ein Koppeln der Qubits mit verlustbehafteten Bauteilen des Systems zu vermeiden, da der Resonator als konzentriertes Element gemäß Ausführungsformen der Erfindung magnetische Felder aufweist, die in den günstig definierten Bereichen des Chips konzentriert sind.
  • Sich nunmehr einer detaillierteren Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung zuwendend, stellt 1 ein schematisches Schaltbild 100 von zwei gekoppelten Qubits mit individuellem Auslesen gemäß Ausführungsformen der Erfindung dar. Bei dem Schaltbild handelt es sich um einen Quanten-/Qubit-Schaltkreis, wie für einen Fachmann verständlich. Das Schaltbild 100 stellt zwei Qubits 102 dar, die durch einen Bus-Resonator 104 gekoppelt sind. Die zwei Qubits 102 sind jeweils mit ihrem eigenen Auslese-Resonator 106 gekoppelt. Es gibt vier Kopplungskondensatoren 180, 181, 182 und 183. Bei diesem Beispiel ist von links ein Qubit 102 (auf das z.B. auch als ein Qubit #1 Bezug genommen wird) über einen Kopplungskondensator 182 mit dem Bus-Resonator 104 gekoppelt (auf den z.B. auch als ein Inter-Qubit-Kopplungs-Bus Bezug genommen wird) und ist über einen Kopplungskondensator 183 mit einem Auslese-Resonator 106 gekoppelt (auf den z.B. auch als ein Auslese-Resonator #1 Bezug genommen wird). In einer ähnlichen Weise ist von rechts ein Qubit 102 (auf das z.B. auch als ein Qubit #2 Bezug genommen wird) über einen Kopplungskondensator 181 mit dem Bus-Resonator 104 gekoppelt (z.B. dem Inter-Qubit-Kopplungs-Bus) und ist über einen Kopplungskondensator 180 mit einem Auslese-Resonator 106 gekoppelt (auf den z.B. auch als ein Auslese-Resonator #2 Bezug genommen wird). Jedes Qubit 102 ist aus einem Josephson-Übergang 160 und einem Kondensator 162 gebildet. Jeder Auslese-Resonator 106 ist aus einem Induktor 130 und einem Kondensator 150 gebildet, wie für einen Fachmann verständlich. Der Bus-Resonator 104 ist aus einem Induktor 140 und einem Kondensator 142 gebildet, wie für einen Fachmann verständlich.
  • Für Erläuterungszwecke und nicht als Beschränkung stellt 1 ein Beispiel für einen supraleitenden Qubit-Schaltkreis dar. Ausführungsformen der Erfindung können in irgendeiner Art eines supraleitenden Qubit-Schaltkreises eingesetzt werden, wie für einen Fachmann verständlich, und sind nicht als beschränkt auf die exakten Elemente oder die exakte Konfiguration von Elementen in 1 anzusehen. Wenngleich zwei Qubits 102 gezeigt sind, die durch einen Bus-Resonator 104 gekoppelt sind, und jedes Qubit 102 mit seinem eigenen Auslese-Resonator 106 gekoppelt ist, versteht es sich, dass mehrere Qubits 102 (mit ihren jeweiligen Auslese-Resonatoren 106) unter Verwendung von mehreren Bus-Resonatoren 104 in unterschiedlichen Konfigurationen gekoppelt sein können. Ausführungsformen der Erfindung sind nicht als beschränkt auf eine spezifische Anzahl von Qubits 102, Bus-Resonatoren 104 und Auslese-Resonatoren 106 anzusehen.
  • Wie für einen Fachmann verständlich, ist ein Qubit-System üblicherweise mit einer 50-Ohm(Ω)-Umgebung verbunden. Der Vollständigkeit und nicht der Beschränkung halber zeigt 1 ein System 190 und ein System 192, die jeweils repräsentativ für eine Verbindung mit einer 50-Ω-Umgebung sind. Das System 190 repräsentiert einen Widerstand mit 50 Ω und eine Spannungsquelle (V1), und die Spannungsquelle V1 kann eingesetzt werden, um ein Qubit-Ansteuerungssignal mit der Resonanzfrequenz des Qubit 102 (z.B. des Qubit #1) zu erzeugen und ein Auslese-Signal mit der Resonanzfrequenz des Auslese-Resonators 106 (z.B. des Auslese-Resonators #1) zu erzeugen. In einer ähnlichen Weise repräsentiert das System 192 einen Widerstand mit 50 Ω und eine Spannungsquelle (V2), und die Spannungsquelle V2 kann eingesetzt werden, um ein Qubit-Ansteuerungssignal mit der Resonanzfrequenz des Qubit 102 (z.B. des Qubit #2) zu erzeugen und ein Auslese-Signal mit der Resonanzfrequenz des Auslese-Resonators 106 (z.B. des Auslese-Resonators #2) zu erzeugen.
  • Gemäß Ausführungsformen der Erfindung kann der Auslese-Resonator 106 zusammen mit irgendeinem Resonator, wie beispielsweise dem Bus-Resonator 104, als eine kompakte Resonator-Struktur (konzentriertes Element) realisiert werden, wie hierin weiter erörtert. Auf die kompakte Resonator-Struktur kann auch als eine mit Bumps versehene Resonator-Struktur Bezug genommen werden.
  • 2 stellt eine Draufsicht auf einen Bereich einer Qubit-Ebene 202 gemäß Ausführungsformen der Erfindung dar. In 2 stellt die Qubit-Ebene 202 einen Bereich des Auslese-Resonators 106 in dem Schaltkreis 100 dar.
  • Die Qubit-Ebene 202 weist eine Kondensator-Kontaktstelle 204 in direktem Kontakt mit einer Zwischenverbindung 210 auf. Die Zwischenverbindung 210 ist als gestrichelte Linie gezeigt, da sich die Zwischenverbindung 210 unterhalb der Kondensator-Kontaktstelle 204 befindet. Bei der Zwischenverbindung 210 kann es sich um eine Lot-Verbindung, wie beispielsweise einen Lot-Bump, und/oder einen Silicium-Durchkontakt handeln. Die Kondensator-Kontaktstelle 204 ist bei dieser Darstellung in einer quadratischen Form dargestellt. Es ist ersichtlich, dass die Kondensator-Kontaktstelle 204 andere Formen aufweisen kann, wie beispielsweise eine rechteckige, eine kreisförmige, eine polygonale, eine dreieckige Form etc. Die Kondensator-Kontaktstelle 204 ist von einem dielektrischen Material 220 umgeben. Bei dem dielektrischen Material 220 kann es sich um ein elektrisch nicht leitfähiges Material handeln, wie beispielsweise einen Isolator. Das dielektrische Material 220 kann Luft sein, wie zum Beispiel ein leerer Raum oder Vakuum. Eine Masse-Ebene 206 umgibt das dielektrische Material 220, um so die Kondensator-Kontaktstelle 204, die innerhalb des dielektrischen Materials 220 abgegrenzt ist, von der Masse-Ebene 206 außerhalb des dielektrischen Materials 220 zu trennen. Die Masse-Ebene 206 kann sich auf einer, auf zwei, auf drei und/oder auf sämtlichen Seiten der Kondensator-Kontaktstelle 204 befinden. Das Qubit 102 ist auf der Qubit-Ebene 202 ausgebildet, ist jedoch in 2 der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. Auf der Qubit-Ebene 202 handelt es sich bei einem Bereich des kompakten Resonators 106 als konzentriertes Element (d.h. des Auslese-Resonators) um die Kondensator-Kontaktstelle 204. Das eine Ende der Zwischenverbindung 210 ist physisch und elektrisch an der Kondensator-Kontaktstelle 204 angebracht, so dass die Zwischenverbindung 210 und die Kondensator-Kontaktstelle 204 ein Äquipotential aufweisen, d.h. dass sie sich auf dem gleichen elektrischen Potential oder der gleichen Spannung in Bezug auf Masse oder in Bezug auf eine Spannungsquelle befinden (wie beispielsweise V1 oder V2), insbesondere bei den kryogenen Temperaturen, bei denen der Resonator 106 verwendet wird, da die Materialien der Zwischenverbindung 210 und der Kondensator-Kontaktstelle 204 bei derartigen Temperaturen supraleitend sind. Des Weiteren weisen die Kondensator-Kontaktstelle 204, die Zwischenverbindung 210 und die Kondensator-Kontaktstelle 304 (die in 3 dargestellt ist) ein Äquipotential auf, d.h. das gleiche elektrische Potential oder die gleiche Spannung in Bezug auf Masse oder in Bezug auf eine Spannungsquelle (wie beispielsweise V1 oder V2), insbesondere bei den kryogenen Temperaturen, bei denen der Resonator verwendet wird, da die Materialien der Zwischenverbindung 210, der Kondensator-Kontaktstelle 204 und der Kondensator-Kontaktstelle 304 bei derartigen Temperaturen supraleitend sind. Bei einigen Realisierungen weisen zumindest ein Bereich der Kondensator-Kontaktstelle 204, zumindest ein Bereich der Zwischenverbindung 210 und zumindest ein Bereich der Kondensator-Kontaktstelle 304 (die in 3 dargestellt ist) ein Äquipotential auf.
  • 3 stellt eine Draufsicht auf einen Bereich einer Auslese-Ebene 302 gemäß Ausführungsformen der Erfindung dar. In 3 stellt die Auslese-Ebene 302 einen weiteren Bereich des Auslese-Resonators 106 in dem Schaltkreis 100 dar.
  • Auf die Auslese-Ebene 302 kann auch als die Steuerebene Bezug genommen werden, da ein Übertragungssignal für ein Ansteuern des Qubit 102 (jedes Qubit kann seine eigene Resonanzfrequenz aufweisen) und ein Auslesen des Auslese-Resonators 106 (jeder Auslese-Resonator kann seine eigene Resonanzfrequenz aufweisen) in die Auslese-Ebene 302 eintreten und aus dieser austreten kann. Die Auslese-Ebene 302 weist eine Kondensator-Kontaktstelle 304 in direktem Kontakt mit der Zwischenverbindung 210 auf. Die Kondensator-Kontaktstelle 304 und die Kondensator-Kontaktstelle 204 sind an entgegengesetzten Enden/Bereichen der Zwischenverbindung 210 angebracht. Wie vorstehend angemerkt, ist die Zwischenverbindung 210 als gestrichelte Linie gezeigt, da sich die Zwischenverbindung 210 unterhalb der Kondensator-Kontaktstelle 304 befindet. Es ist anzumerken, dass die Tatsache, ob sich die Zwischenverbindung 210 unterhalb (oder oberhalb) der Kondensator-Kontaktstelle 204 oder der Kondensator-Kontaktstelle 304 befindet, darauf beruht, ob sich die Qubit-Ebene 202 oben befindet oder ob sich die Auslese-Ebene 302 oben befindet. Wenn sich zum Beispiel die Qubit-Ebene 202 mit der Kondensator-Kontaktstelle 204 oben befindet und sich die Auslese-Ebene 302 unten befindet, befindet sich die Zwischenverbindung 210 dann unterhalb der Kondensator-Kontaktstelle 204, jedoch oberhalb der Kondensator-Kontaktstelle 304 der Auslese-Ebene 302. Wenn sich im umgekehrten Fall die Auslese-Ebene 302 mit der Kondensator-Kontaktstelle 304 oben befindet und sich die Qubit-Ebene 202 unten befindet, befindet sich die Zwischenverbindung 210 dann unterhalb der Kondensator-Kontaktstelle 304, jedoch oberhalb der Kondensator-Kontaktstelle 204 der Qubit-Ebene 202. In einigen Fällen können sich die Qubit-Ebene 202 und die Auslese-Ebene 302 auf der Seite befinden (z.B. auf der linken und der rechten Seite), und nicht zwangsläufig oben oder unten.
  • Die Auslese-Ebene 302 weist den Induktor 130 auf. Der Induktor 130 ist aus einer spiralförmigen Spule 332 gebildet, die sich um die Kondensator-Kontaktstelle 304 windet. Das Bilden der spiralförmigen Spule 332 um die Kondensator-Kontaktstelle 304 herum ist ein Beispiel. Bei der spiralförmigen Spule 332 handelt es sich um das induktive Bauteil des Auslese-Resonators 106, der Auslese-Resonator 106 ist jedoch nicht auf die spiralförmige Spule 332 als das induktive Bauteil beschränkt, und es können andere Strukturen verwendet werden. Ein weiteres Beispiel, eine weitere Struktur und/oder eine weitere Form zur Bildung der spiralförmigen Spule 332 des Induktors können eine sich windende Übertragungsleitung, einen kinetischen Induktor (mit einem Material mit einer hohen kinetischen Induktanz), einen Josephson-Übergang und/oder eine Reihenanordnung von Josephson-Übergängen aufweisen, wie in den 10 bis 28 weiter erörtert.
  • Eine kinetische Induktanz hat ihren Ursprung in der kinetischen Energie, die für jedes Elektron erforderlich ist, das zu einem Stromfluss beiträgt. Bei der kinetischen Induktanz handelt es sich um die Manifestation der trägen Masse von mobilen Ladungsträgern (z.B. Elektronen) in elektrischen Wechselfeldern als einer äquivalenten Reiheninduktanz. Kinetische Induktanz wird in Leitern mit einer hohen Ladungsträgerbeweglichkeit (z.B. in Supraleitern) und bei sehr hohen Frequenzen beobachtet. Der Induktor mit einer hohen Kinetik beruht auf der Geometrie des Materials und darauf, dass es sich um ein Supraleitermaterial handelt, das bei supraleitenden Temperaturen (z.B. kryogenen Temperaturen) eine hohe Induktanz aufweist. Ein Material mit einer hohen kinetischen Induktanz für einen kinetischen Induktor kann Niobnitrid (NbN), Niobtitannitrid (NbTiN) und/oder Titannitrid (TiN) umfassen. Niobnitrid weist eine höhere Induktanz als Niob alleine auf. Der Induktor mit einer hohen Kinetik kann in einer Linie ausgebildet sein, und es ist nicht erforderlich, dass er wie die spiralförmige Spule 332 gewunden ist. Wie für einen Fachmann verständlich, ist auch ein Josephson-Übergang ein induktives Element, und ein oder mehrere Josephson-Übergänge (z.B. in Reihe) können dazu verwendet werden, die spiralförmige Spule 332 als das induktive Element in dem Auslese-Resonator 106 zu ersetzen.
  • In 3 ist das eine Ende der spiralförmigen Spule 332 an der Kondensator-Kontaktstelle 304 bei der Verbindung 328 angebracht, und das andere Ende der spiralförmigen Spule 332 ist mit einer Masse-Ebene 306 bei der Verbindung 326 parallelgeschaltet. Die Masse-Ebene 306 umgibt die Kondensator-Kontaktstelle 304 und die spiralförmige Spule 332. Bei einigen Realisierungen kann sich die Masse-Ebene 306 auf einer, auf zwei, auf drei und/oder auf sämtlichen Seiten der Kondensator-Kontaktstelle 304 befinden. Es ist ersichtlich, dass die Kondensator-Kontaktstelle 304 andere Formen aufweisen kann, wie beispielsweise eine rechteckige, eine kreisförmige, eine polygonale, eine dreieckige Form etc.
  • Ein dielektrisches Material 320 kann die Kondensator-Kontaktstelle 304 umgeben (mit Ausnahme bei der Verbindung 328) und befindet sich zwischen den Drähten (d.h. den Leitungen) der spiralförmigen Spule 332. Bei dem dielektrischen Material 320 und 220 kann es sich bei einigen Realisierungen um das gleiche Material handeln. Bei anderen Realisierungen kann es sich bei dem dielektrischen Material 320 und 220 um unterschiedliche Materialien handeln. Wie vorstehend angemerkt, kann es sich bei dem dielektrischen Material 320 um ein elektrisch nicht leitfähiges Material handeln, wie beispielsweise um einen Isolator. Außerdem kann es sich bei dem dielektrischen Material um einen leeren Raum handeln, wie zum Beispiel um Luft oder Vakuum.
  • Die spiralförmige Spule 332 des Induktors 130 ist mit einer Übertragungsleitung 322 gekoppelt (z.B. größtenteils induktiv gekoppelt). Bei einigen Realisierungen kann die spiralförmige Spule 332 mit der Übertragungsleitung 322 induktiv gekoppelt sein. Zum Beispiel verbindet die Übertragungsleitung 322 den Induktor 130 mit Ausgangs-Kontaktstellen (Launch-Kontaktstellen), die (über den Induktor 130) eine externe Verbindung mit dem Auslese-Resonator 106 und mit dem Qubit 102 bereitstellen.
  • Der Auslese-Resonator 106 weist Bereiche sowohl in der Qubit-Ebene 202 als auch der Auslese-Ebene 302 auf. Zum Beispiel ist der Kondensator 150 des Auslese-Resonators 106 aus der Kondensator-Kontaktstelle 204 der Qubit-Ebene, der Zwischenverbindung 210 und der Kondensator-Kontaktstelle 304 der Auslese-Ebene gebildet, während der Induktor 130 aus der spiralförmigen Spule 332 gebildet ist. Der kapazitive Bereich (in 1 mit 150 gezeigt) des Auslese-Resonators 106 befindet sich sowohl auf der Qubit-Ebene 202 als auch auf der Auslese-Ebene 302. Durch die spezifische Struktur ist zu erkennen, dass sich der induktive Bereich, der als durch die spiralförmige Spule 332 gebildeter Induktor 130 gezeigt ist, nur auf der Auslese-Ebene 302 und nicht auf der Qubit-Ebene 202 befindet. Eine weitere Beschreibung des Auslese-Resonators 106 wird durch die in den 4 und 5 dargestellten Querschnittsansichten verständlich.
  • 4 stellt eine Querschnittsansicht eines Bereichs der Qubit-Ebene und der Auslese-Ebene gemäß Ausführungsformen der Erfindung dar. 4 zeigt eine weitere Darstellung des Auslese-Resonators 106 als konzentriertes Element. 4 stellt ein Beispiel dar, bei dem die Zwischenverbindung 210 ein Lot-Bump ist, der sowohl an der Kondensator-Kontaktstelle 204 als auch an der Kondensator-Kontaktstelle 304 angebracht ist. Der Lot-Bump verbindet die Qubit-Ebene 202 physisch und elektrisch mit der Auslese-Ebene 302. Wie aus 4 ersichtlich, ist der Auslese-Resonator 106 aus der spiralförmigen Spule 332 des Induktors 130 und der Kondensator-Kontaktstelle 204, der Kondensator-Kontaktstelle 304 und der Zwischenverbindung 210 (z.B. dem Lot-Bump) des Kondensators 150 gebildet. Der Induktor 130, der aus der spiralförmigen Spule 332 gebildet ist, befindet sich nur auf der Auslese-Ebene 302, so dass die Qubit-Ebene 202 frei von induktiven Elementen (z.B. der spiralförmigen Spule 332) des Auslese-Resonators 106 ist. Durch Isolieren des Induktors 130 auf der Auslese-Ebene 302 entfernt von der Qubit-Ebene 202 ist das Qubit 102 von magnetischen Feldern isoliert, die durch den elektrischen Strom erzeugt werden, der durch die spiralförmige Spule 332 des Induktors 130 hindurch fließt. Die magnetischen Felder des Induktors 130 des Auslese-Resonators 106 können eine Dekohärenz des Qubits 102 verursachen. Der Kondensator 150 weist zwei Platten auf, wobei es sich bei der einen Platte um die Kondensator-Kontaktstelle 204 in der Qubit-Ebene 202 handelt und es sich bei der anderen Platte um die Kondensator-Kontaktstelle 304 in der Auslese-Ebene 302 handelt.
  • Als eine beispielhafte Realisierung stellt 4 die Qubit-Ebene 202, die auf einem Substrat 402 ausgebildet ist, und die Auslese-Ebene 302 dar, die auf einem Substrat 404 ausgebildet ist. Das Substrat 402 und das Substrat 404 können aus irgendeinem geeigneten Material bestehen. Es ist möglich, dass die Substrate 402 und 404 aus dem gleichen Material bestehen oder dass sie nicht aus dem gleichen Material bestehen. Bei den Substraten 402 und 404 kann es sich um Silicium-Substrate, Saphir-Substrate, Silicium-auf-Isolator-Substrate und/oder irgendeine Kombination derselben handeln. Bei dem Substrat 402 kann es sich um einen Wafer handeln, und bei dem Substrat 404 kann es sich um einen anderen Wafer handeln. Bei der auf dem Substrat 402 ausgebildeten Qubit-Ebene 202 kann es sich um einen Chip handeln, und bei der auf dem Substrat 404 ausgebildeten Auslese-Ebene 302 kann es sich um einen anderen Chip handeln. Wenngleich der Einfachheit halber nicht gezeigt, kann die Masse-Ebene 206 der Qubit-Ebene 202 durch mehrere Zwischenverbindungen elektrisch und physisch mit der Masse-Ebene 306 der Auslese-Ebene 302 verbunden sein, so dass die Masse-Ebenen 206 und 306 auf dem gleichen Potential (oder nahezu auf dem gleichen Potential) gehalten werden.
  • Es ist anzumerken, dass die Zwischenverbindung 210, d.h. der Lot-Bump, unter Verwendung der Flip-Chip-Technologie gebildet und aufgebracht werden kann. Wenngleich die Auslese-Ebene 302 so dargestellt ist, dass sie sich auf der Oberseite der Qubit-Ebene 202 befindet, ist die Auswahl der oberen und der unteren Ebene willkürlich. Die Schaltkreiselemente in den 1 bis 6 können durch Lithographie, Elektroplattieren etc. und entsprechendes Strukturieren gebildet werden, wie für einen Fachmann verständlich. Spezieller können die Josephson-Übergänge durch Abschattungs-Aufdampfungstechniken etc. gebildet werden. In 4 können die Schaltkreise der Auslese-Ebene 302 und der Qubit-Ebene 202 separat gebildet werden. Nachfolgend kann die Flip-Chip-Technologie verwendet werden, um den Lot-Bump als die Zwischenverbindung 210 auf irgendeiner der Ebenen aufzubringen, und die andere Ebene kann dann über den Lot-Bump mit der anderen Ebene verbunden werden. Wenngleich der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt, kann eine Metallisierung unter dem Bump (UBM, Under-Bump Metallization) auf der Kondensator-Kontaktstelle 204 und/oder der Kondensator-Kontaktstelle 304 verwendet werden, um jeweils eine gute Verbindung mit dem Lot-Bump herzustellen, wie für einen Fachmann verständlich. Wie hierin weiter erörtert, handelt es sich bei den Materialien der Schaltkreiselemente in der Qubit-Ebene 202 und der Auslese-Ebene 302 zusammen mit der Zwischenverbindung 210 um supraleitende Materialien.
  • 5 stellt eine Querschnittsansicht eines Bereichs der Qubit-Ebene und der Auslese-Ebene gemäß Ausführungsformen der Erfindung dar. 5 zeigt eine weitere Darstellung des Auslese-Resonators 106 als konzentriertes Element. Insbesondere stellt 5 ein Beispiel dar, bei dem die Zwischenverbindung 210 aus einem Silicium-Durchkontakt besteht, der sowohl an der Kondensator-Kontaktstelle 204 als auch an der Kondensator-Kontaktstelle 304 angebracht ist. Der Silicium-Durchkontakt verbindet die Qubit-Ebene 202 physisch und elektrisch mit der Auslese-Ebene 302. Anders als die Lot-Bump-Zwischenverbindung ist der Silicium-Durchkontakt durch den Wafer 502 hindurch ausgebildet, um dadurch die Qubit-Ebene 202 und die Auslese-Ebene 302 zu verbinden. Anstelle der Qubit-Ebene 202, die der Auslese-Ebene 302 in 4 gegenüberliegt, sind die Qubit-Ebene 202 und die Auslese-Ebene 302 auf entgegengesetzten Seiten/Oberflächen des Wafers 502 ausgebildet. Bei einigen Realisierungen kann eine oder können mehrere Schicht(en) aus Materialien zwischen der Qubit-Ebene 202 und dem Wafer 502 vorhanden sein, und/oder es kann eine oder es können mehrere Schicht(en) aus Materialien zwischen der Auslese-Ebene 302 und dem Wafer 502 vorhanden sein. Der Wafer 502 kann die gleichen Materialien aufweisen, die vorstehend für die Substrate 402 und/oder 404 erörtert wurden. Wenngleich der Einfachheit halber nicht gezeigt, kann die Masse-Ebene 206 der Qubit-Ebene 202 durch mehrere Zwischenverbindungen elektrisch und physisch mit der Masse-Ebene 306 der Auslese-Ebene 302 verbunden sein, so dass die Masse-Ebenen 206 und 306 auf dem gleichen Potential (oder nahezu dem gleichen Potential) gehalten werden.
  • Wie vorstehend erörtert, befindet sich der aus der spiralförmigen Spule 332 hergestellte Induktor 130 nur auf der Auslese-Ebene 302, so dass die Qubit-Ebene 202 frei von den induktiven Elementen (z.B. der spiralförmigen Spule 332) des Auslese-Resonators 106 ist. Der Kondensator 150 weist zwei Platten auf, wobei es sich bei der einen Platte um die Kondensator-Kontaktstelle 204 in der Qubit-Ebene 202 handelt und es sich bei der anderen Platte um die Kondensator-Kontaktstelle 304 in der Auslese-Ebene 302 handelt. Wie aus 5 ersichtlich, ist der Auslese-Resonator 106 aus der spiralförmigen Spule 332 des Induktors 130 und der Kondensator-Kontaktstelle 204, der Kondensator-Kontaktstelle 304 und der Zwischenverbindung 210 (z.B. dem TSV) des Kondensators 150 gebildet. In 5 kann der Schaltkreis der Qubit-Ebene 202 auf der einen Oberfläche des Wafers 502 ausgebildet sein, der Silicium-Durchkontakt ist so ausgebildet, dass er mit der Kondensator-Kontaktstelle 204 der Qubit-Ebene 202 verbunden ist, und der Schaltkreis der Auslese-Ebene 302 ist auf der entgegengesetzten Oberfläche des Wafers 502 ausgebildet, so dass sich die Kondensator-Kontaktstelle 304 in direkter Verbindung mit dem Silicium-Durchkontakt (d.h. der Zwischenverbindung 210) befindet.
  • 6 stellt ein beispielhaftes Layout eines mit einem Auslese-Resonator und einem Bus-Resonator koppelnden Qubit gemäß Ausführungsformen der Erfindung dar. Vorstehend stellt 2 einen Bereich der Qubit-Ebene 202 dar, die auf einen Bereich des Auslese-Resonators 106 konzentriert ist. 6 stellt ein Beispiel dar, welches das Qubit 102 zeigt, das über einen Kopplungskondensator 180 mit der Kondensator-Kontaktstelle 204 des Auslese-Resonators 106 kapazitiv gekoppelt ist. Das Qubit 102 zeigt den Kondensator 162, der aus Qubit-Kondensator-Kontaktstellen 602A und 602B gebildet ist, die durch das dielektrische Material 220 getrennt sind (bei dem es sich um Luft oder Vakuum handeln kann). Das Qubit 102 umfasst den Josephson-Übergang 160, der mit den Qubit-Kondensator-Kontaktstellen 602A und 602B verbunden ist. Bei den Kondensator-Kontaktstellen 602A und 602B handelt es sich um ein supraleitendes Material. Der Josephson-Übergang 160 weist zwei supraleitende Materialien auf, die durch irgendeines von dem Folgenden getrennt sind: durch ein dielektrisches Material, eine geringe Länge eines normalen (nicht supraleitenden) Metalls oder einer Einschnürung eines Supraleiters. Das Qubit 102 ist über einen Kopplungskondensator 181 mit dem Bus-Resonator 104 kapazitiv gekoppelt. Bei diesem Beispiel ist der Bus-Resonator 104 nicht gezeigt. Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Bus-Resonator 104 in der gleichen Weise gebildet sein, wie für den Auslese-Resonator 106 erörtert, so dass es sich bei dem Bus-Resonator 104 um einen kompakten Resonator als konzentriertes Element handelt (wobei eine Lot-Bump- und/oder eine Silicium-Durchkontakt-Zwischenverbindung 210 verwendet wird/werden). Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Bus-Resonator 104 unter Verwendung von Techniken gemäß dem Stand der Technik gebildet werden, wie für einen Fachmann verständlich, und der Bus-Resonator 104 ist in 6 nicht gezeigt, um so die Figur nicht undurchsichtig zu machen.
  • Technischer Nutzen und technische Vorteile umfassen eine kompakte Resonator-Struktur (konzentriertes Element) (z.B. den Auslese-Resonator 106), die zwei Ebenen supraleitender Schaltkreise überspannt, und die kompakte Resonator-Struktur hält einen Großteil der kapazitiven Energie, die auf der Qubit-Ebene 202 gespeichert ist, und einen Großteil der induktiven Energie, die auf der Auslese-Ebene 302 gespeichert ist. Diese kompakte Resonator-Struktur hält elektrische Ströme von der das Qubit 102 enthaltenden Qubit-Ebene 202 fern und auf dem Auslese-Pfad auf der Auslese-Ebene 302. Elektromagnetische Felder an den Übergangs-/Verbindungsbereichen (z.B. an der Verbindung der Zwischenverbindung 210 und der Kondensator-Kontaktstelle 204, an der Verbindung der Zwischenverbindung des (kompakten) Auslese-Resonators 106 und/oder an der Verbindung 328 der Kondensator-Kontaktstelle 304 und der spiralförmigen Spule 332) werden günstig gesteuert/ausgelegt, um ein Koppeln der Qubits mit verlustbehafteten Bauteilen des Systems zu vermeiden(d.h. dem Induktor 130 mit der spiralförmigen Spule 332), da der Resonator 106 als konzentriertes Element magnetische Felder aufweist, die in den günstig definierten Bereichen (z.B. dem induktiven Bauteil, bei dem es sich um die spiralförmige Spule 332 auf der Auslese-Ebene 302 handelt) des Chips konzentriert sind.
  • Des leichteren Verständnisses halber sind Induktoren in drei unterschiedliche Kategorien klassifiziert, um den Ort in Bezug auf die Qubit-Ebene 202 und die Auslese-Ebene 302 besser zu verstehen, insbesondere da er sich auf eine Anordnung des Kondensators (C) und des Induktors (L) bezieht:
    • 1) Josephson-Übergänge sind nicht-lineare, verlustfreie, konzentrierte Induktoren. Josephson-Übergänge stellen das induktive Bauteil der Qubit-LC-Resonatoren bereit. Wie der Begriff verlustfrei nahelegt, sind Josephson-Übergänge aus der Perspektive von Verlusten nicht problematisch. Des Weiteren wird die (induktive) Energie in Josephson-Übergängen lokal gespeichert, und die Übergänge in den Qubits 102 interagieren induktiv sehr wenig mit dem externen Schaltkreis (anderen Bauteilen des Schaltungsaufbaus auf der Qubit-Ebene 202 und/oder der Auslese-Ebene 302). Josephson-Übergänge oder Reihenanordnungen von Josephson-Übergängen können außerdem als ein Ersatz für die spiralförmige Spule 332 verwendet werden.
    • 2) LC-Resonatoren, die nur virtuell angeregt werden, jedoch nicht mit Photonen bevölkert werden. Bus-Resonatoren 104 zwischen Qubits fallen in diese Kategorie von LC-Resonatoren. Durch eine virtuelle Anregung ermöglicht/erleichtert der Bus-Resonator 104 eine Übertragung eines Photons mit Frequenzen, die sich von seiner Resonanzfrequenz oder Harmonischen derselben unterscheiden. Verluste von diesen Bus-Resonatoren (und ihren induktiven Bauteilen) rufen keine Bedenken hervor, da die Moden (d.h. die Resonanzfrequenz und ihre Harmonischen) des Resonators nicht angeregt werden. Des Weiteren werden diese Bus-Resonatoren in der Praxis mit sehr hohen Qualitätsfaktoren (Q-Faktoren) hergestellt, d.h. sie weisen sehr geringe Verluste auf.
    • 3) LC-Resonatoren, deren Moden direkt angeregt werden (bei ihrer Resonanzfrequenz oder potentiell auch einer Harmonischen), werden mit (einigen) Photonen bevölkert. Bei den hier erörterten beispielhaften Quanten-Schaltkreisen fallen die Auslese-Resonatoren 106 in diese Kategorie. Der Auslese-Resonator 106 ist außerdem mit dem externen (dem Chip fernen) Schaltungsaufbau (bis hin zu Raumtemperatur-Elektronik) gekoppelt/verbunden. Die Experimentatoren haben Bedenken in Bezug auf die Verluste, die durch den Auslese-Resonator 106 erzeugt werden, und die Verluste sind in dessen induktiven Bauteilen höher, und Ausführungsformen der Erfindung stellen Techniken und Strukturen bereit, um die induktiven Bauteile des Auslese-Resonators 106 von den (empfindlichen) Qubits weg zu verschieben, wie hierin erörtert.
  • Die Schaltkreiselemente des Quanten-/Qubit-Schaltkreises 100, die Qubit-Ebene 202 und die Auslese-Ebene 302 können aus einem supraleitenden Material hergestellt sein. Die jeweiligen Resonatoren, Induktoren, Kondensatoren, Zwischenverbindungen (z.B. Lot-Bumps und TSVs), Übertragungsleitungen, Qubits, Masse-Ebenen, spiralförmige Spulen etc. sind aus supraleitenden Materialien hergestellt. Beispiele für supraleitende Materialien (bei niedrigen Temperaturen, wie beispielsweise bei etwa 10 Millikelvin (mK) bis 100 Millikelvin (mK) oder etwa 4 K) umfassen Niob, Aluminium, Tantal etc. Die Josephson-Übergänge sind zum Beispiel aus einem supraleitenden Material hergestellt, und ihre Tunnelübergänge können aus einer dünnen Tunnelbarriere hergestellt sein, wie beispielsweise aus einem Oxid. Die Kondensatoren können aus supraleitenden Materialien hergestellt sein, die jeweils durch ein dielektrisches Material mit geringen Verlusten, Luft etc. getrennt sind. Die Übertragungsleitungen (d.h. die Drähte), welche die unterschiedlichen Elemente verbinden, sind aus einem supraleitenden Material hergestellt.
  • 7 stellt ein Flussdiagramm 700 eines Verfahrens für ein Bilden einer Struktur (z.B. eines Resonators 106) gemäß Ausführungsformen der Erfindung dar. Bei Block 702 wird ein induktives Bauteil (z.B. ein Induktor 130) auf einer ersten Oberfläche angeordnet (z.B. auf einer Auslese-Ebene 302). Bei Block 704 wird ein kapazitives Bauteil auf der ersten Oberfläche (z.B. der Auslese-Ebene 302) und einer zweiten Oberfläche angeordnet (z.B. auf einer Qubit-Ebene 202). Bei Block 706 wird eine Zwischenverbindungsstruktur (z.B. eine Zwischenverbindung 210) zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche (z.B. zwischen der Auslese-Ebene 302 und der Qubit-Ebene 202) eingekoppelt/zwischenverbunden.
  • Das kapazitive Bauteil weist die Zwischenverbindungsstruktur auf. Der Kondensator 150 weist zum Beispiel die Kondensator-Kontaktstelle 204, die Kondensator-Kontaktstelle 304 sowie die Zwischenverbindung 210 auf. Das induktive Bauteil (z.B. der Induktor 130) wird aus der Gruppe ausgewählt, die aus einer spiralförmigen Spule, einer spiralartigen Spule, einem sich windenden Draht/einer sich windenden Übertragungsleitung, einem (geradlinigen) kinetischen Induktor (mit einem Material mit einer hohen kinetischen Induktanz), einem Josephson-Übergang und/oder einer Reihenanordnung von Josephson-Übergängen besteht. Eine beispielhafte spiralförmige Spule 332, die in irgendeiner sich windenden drahtförmigen Gestalt vorliegen kann, ist in 3 dargestellt. Das induktive Bauteil ist mit Masse parallelgeschaltet. Die spiralförmige Spule 332 ist zum Beispiel bei der Verbindung 326 mit der Masse-Ebene 306 parallelgeschaltet.
  • Das kapazitive Bauteil wird aus der Gruppe gewählt, die aus einem Plattenkondensator und/oder einem ineinander greifenden Kondensator besteht. Die Kondensator-Kontaktstelle 204 und die Kondensator-Kontaktstelle 304 können zum Beispiel als ein Plattenkondensator und/oder als ein interdigitaler/ineinander greifender Kondensator (d.h. ein Finger-Kondensator) ausgebildet sein, wobei sich die Zwischenverbindung 210 dazwischen befindet.
  • Bei der Zwischenverbindungsstruktur handelt es sich um einen Lot-Bump, wie in 4 dargestellt. Bei der Zwischenverbindungsstruktur handelt es sich um einen Silicium-Durchkontakt, wie in 5 dargestellt.
  • Zumindest eine Signalzufuhrleitung ist mit dem induktiven Bauteil des Resonators 106 gekoppelt. Zum Beispiel ist die Übertragungsleitung 322 (d.h. die Signalzufuhrleitung) mit der spiralförmigen Spule 332 gekoppelt, wie in 3 dargestellt. Bei einigen Realisierungen kann die Übertragungsleitung 322 mit der spiralförmigen Spule 332 induktiv gekoppelt sein. Zumindest eine Signalzufuhrleitung ist mit dem kapazitiven Bauteil des Resonators gekoppelt. Zum Beispiel kann eine Übertragungsleitung genau wie die Übertragungsleitung 322 kapazitiv (oder induktiv) mit der Kondensator-Kontaktstelle 204 in 2 gekoppelt sein, wenngleich nicht gezeigt.
  • Zumindest ein supraleitendes Qubit 102 ist mit dem kapazitiven Bauteil des Resonators gekoppelt. Zum Beispiel ist das Qubit 102 mit der Kondensator-Kontaktstelle 204 des Auslese-Resonators 106 kapazitiv gekoppelt, wie in den 1, 2 und 6 dargestellt. Als eine weitere Option ist zumindest ein supraleitendes Qubit 102 mit dem induktiven Bauteil des Resonators 106 gekoppelt. Zum Beispiel kann das Qubit 102 mit der spiralförmigen Spule 332 gekoppelt sein, wenn das Qubit 102 auf der Auslese-Ebene 302 mit der spiralförmigen Spule 332 angeordnet ist, wenngleich nicht gezeigt.
  • Das induktive Bauteil und das kapazitive Bauteil (einschließlich der Zwischenverbindungsstruktur 210) sind aus einem supraleitenden Metall hergestellt. Das kapazitive Bauteil und die Zwischenverbindungsstruktur sind äquipotential, d.h. sie weisen die gleiche Spannung oder das gleiche Potential auf. Die erste Oberfläche (z.B. die Auslese-Ebene 302) befindet sich entgegengesetzt zu der zweiten Oberfläche (z.B. der Qubit-Ebene 202).
  • 8 stellt ein Flussdiagramm 800 des Verfahrens für ein Bilden einer Struktur (z.B. des Auslese-Resonators 106) gemäß Ausführungsformen der Erfindung dar. Bei Block 802 wird ein kapazitives Bauteil (z.B. der Kondensator 150) mit einem ersten Bereich (z.B. der Kondensator-Kontaktstelle 304) auf einer ersten Oberfläche (z.B. der Auslese-Ebene 302) und einem zweiten Bereich (z.B. der Kondensator-Kontaktstelle 204) auf einer zweiten Oberfläche (z.B. der Qubit-Ebene 202) gebildet, wobei der erste und der zweite Bereich ein Äquipotential aufweisen.
  • Bei Block 804 wird ein induktives Bauteil (z.B. der Induktor 130) auf der einen von der ersten und der zweiten Oberfläche und nicht/fehlend bei der anderen von der ersten und der zweiten Oberfläche gebildet. Das induktive Bauteil 130 ist auf der Auslese-Ebene 302 dargestellt, wie in den 3, 4 und 5 gezeigt. Das induktive Bauteil 130 kann sich jedoch auch auf der Qubit-Ebene 202 befinden.
  • Eine Zwischenverbindungsstruktur 210 verbindet den ersten und den zweiten Bereich (z.B. die Kondensator-Kontaktstellen 204 und 304), so dass sie dadurch das Äquipotential aufweisen.
  • 9 stellt ein Flussdiagramm 900 des Verfahrens für ein Bilden eines Resonators (z.B. des Auslese-Resonators 106) gemäß Ausführungsformen der Erfindung dar. Bei Block 902 wird ein Kondensator 150 mit einem ersten supraleitenden Material (z.B. mit der Kondensator-Kontaktstelle 204) und einem zweiten supraleitenden Material (z.B. der Kondensator-Kontaktstelle 304) gebildet, die durch eine supraleitende Zwischenverbindung 210 verbunden werden, wobei sich das erste und das zweite supraleitende Material auf unterschiedlichen Oberflächen befinden (z.B. der Qubit-Ebene 202 und der Auslese-Ebene 302). Bei Block 904 wird ein Induktor 130 auf der einen der unterschiedlichen Oberflächen angeordnet (z.B. auf einer von der Qubit-Ebene 202 und der Auslese-Ebene 302, jedoch nicht auf beiden). Zum Beispiel wird der Induktor 130 auf entweder der Qubit-Ebene 202 oder der Auslese-Ebene 302 angeordnet.
  • Beispiele für den konzentrierten kompakten Resonator mit einem induktiven und einem kapazitiven Element, wobei sich das induktive Element auf einer isolierten Ebene befindet, wurden vorstehend erörtert, wobei ein Lot-Bump und ein Silicium-Durchkontakt verwendet wurden. Weitere Beispiele für konzentrierte Resonatoren, die verschiedene Arten von Strukturen für das induktive Element aufweisen, sind in den 10 bis 25 beschrieben.
  • 10 stellt eine vereinfachte Version einer Draufsicht für einen beispielhaften Resonator gemäß Ausführungsformen der Erfindung dar. Bei dem Resonator kann es sich zum Beispiel um einen Auslese-Resonator 106 handeln. In 10 weist der Auslese-Resonator 106 eine obere Kondensator-Kontaktstelle 304 und eine untere Kondensator-Kontaktstelle 204 auf, die den Kondensator 150 bilden. Die obere Kondensator-Kontaktstelle 304 ist mit dem induktiven Element 130 verbunden. Das induktive Element 130 ist als eine sich windende Übertragungsleitung dargestellt.
  • 11 ist eine Querschnittsansicht des Resonators in 10 gemäß Ausführungsformen der Erfindung. 11 stellt nur einen beispielhaften Bereich eines supraleitenden Qubit-Schaltkreises 100 dar, und es versteht sich, dass andere Schaltkreiselemente vorhanden sind. 11 zeigt die untere Kondensator-Kontaktstelle 204 auf der Qubit-Ebene 202 (wobei die Qubits nicht gezeigt sind) sowie die obere Kondensator-Kontaktstelle 304 auf der Auslese-Ebene 302, so dass dadurch der Kondensator 150 gebildet wird.
  • Das induktive Element 130 befindet sich (nur) auf der Auslese-Ebene 302 und ist mit der oberen Kondensator-Kontaktstelle 304 verbunden. Wie aus den 10 und 11 ersichtlich, ist das induktive Element 130 gemäß Ausführungsformen der Erfindung nicht auf eine spiralförmige Spule 332 beschränkt, sondern kann auch andere Formen und/oder Auslegungen aufweisen. Die Qubit-Ebene 202 (eine Schaltkreisebene) und das untere Substrat 402 bilden zusammen einen unteren Chip, und die Auslese-Ebene 302 (eine Schaltkreisebene) und das obere Substrat 404 bilden zusammen einen oberen Chip.
  • Zusätzlich zu dem Auslese-Resonator 106 ist ein Lot-Bump 1110 gezeigt, der die Qubit-Ebene 202 und die Auslese-Ebene 302 verbindet. Es können ein oder mehrere Lot-Bumps 1110 verwendet werden, um zum Beispiel Masse-Ebenen auf der Qubit-Ebene 202 mit der Auslese-Ebene 302 zu verbinden und/oder um je nach Bedarf weitere Schaltkreiselemente zwischen der Qubit-Ebene und der Auslese-Ebene zu verbinden. Der Lot-Bump 1110 kann mit einer oberen intermetallischen Kontaktstelle 1114 der Auslese-Ebene 302 verbunden sein und kann mit einer unteren intermetallischen Kontaktstelle 1104 der Qubit-Ebene 202 verbunden sein. Der Lot-Bump 1110, die obere intermetallische Kontaktstelle 1114 und die untere intermetallische Kontaktstelle 1104 sind aus einem supraleitenden Material hergestellt. Der Lot-Bump 1110, die obere intermetallische Kontaktstelle 1114 und die untere intermetallische Kontaktstelle 1104 können gebildet werden, wenn die Kondensator-Kontaktstelle 204, die Kondensator-Kontaktstelle 304 und die Zwischenverbindung 210 des Bump-Resonators gebildet werden, wenn sich der Bump-Resonator auf dem Schaltkreis 100 befindet.
  • 12 stellt eine vereinfachte Version einer Draufsicht für einen beispielhaften Resonator gemäß Ausführungsformen der Erfindung dar. Bei dem Resonator kann es sich zum Beispiel um einen Auslese-Resonator 106 handeln. In 12 weist der Auslese-Resonator 106 eine obere Kondensator-Kontaktstelle 304 und eine untere Kondensator-Kontaktstelle 204 auf, die den Kondensator 150 bilden. Die obere Kondensator-Kontaktstelle 304 ist mit dem induktiven Element 130 verbunden. Das induktive Element 130 ist wiederum als eine sich windende Übertragungsleitung dargestellt.
  • 13 ist eine Querschnittsansicht des Resonators in 12 gemäß Ausführungsformen der Erfindung. 13 stellt nur einen beispielhaften Bereich eines supraleitenden Qubit-Schaltkreises 100 dar, und es versteht sich, dass weitere Schaltkreiselemente vorhanden sind. 13 zeigt die untere Kondensator-Kontaktstelle 204 auf der Qubit-Ebene 202 (und das Qubit ist nicht gezeigt) und die obere Kondensator-Kontaktstelle 304 auf der Auslese-Ebene 302, so dass dadurch der Kondensator 150 gebildet wird. Das induktive Element 130 befindet sich (nur) auf der Auslese-Ebene 302 und ist mit der oberen Kondensator-Kontaktstelle 304 verbunden. Wie aus den 12 und 13 ersichtlich, ist das induktive Element 130 gemäß Ausführungsformen der Erfindung nicht auf eine spiralförmige Spule 332 beschränkt, sondern kann auch andere Formen und/oder Auslegungen aufweisen. Die Qubit-Ebene 202 (eine Schaltkreisebene) und die Auslese-Ebene 302 (eine Schaltkreisebene) sind auf entgegengesetzten Seiten des Wafers 502 ausgebildet (sind Schaltkreise).
  • Zusätzlich zu dem Auslese-Resonator 106 zeigt 13 (anders als 11) einen Silicium-Durchkontakt 1310, der die Qubit-Ebene 202 und die Auslese-Ebene 302 verbindet. Es können ein oder mehrere Silicium-Durchkontakte 1310 verwendet werden, um zum Beispiel Masse-Ebenen auf der Qubit-Ebene 202 mit der Auslese-Ebene 302 zu verbinden und/oder um je nach Bedarf weitere Schaltkreiselemente zwischen der Qubit-Ebene und der Auslese-Ebene zu verbinden. Die Silicium-Durchkontakte 1310 können mit einer oberen Durchkontakt-Kontaktstelle 1314 der Auslese-Ebene 302 verbunden sein und können mit einer unteren Durchkontakt-Kontaktstelle 1304 der Qubit-Ebene 202 verbunden sein. Der Silicium-Durchkontakt 1310, die obere Durchkontakt-Kontaktstelle 1314 und die untere Durchkontakt-Kontaktstelle 1304 sind aus supraleitenden Materialien hergestellt, wie hierin erörtert. Der Silicium-Durchkontakt 1310, die obere Durchkontakt-Kontaktstelle 1314 und die untere Durchkontakt-Kontaktstelle 1304 können gebildet werden, wenn die Kondensator-Kontaktstelle 204, die Kondensator-Kontaktstelle 304 und die Zwischenverbindung 210 des TSV-Resonators gebildet werden, wenn sich der TSV-Resonator auf dem Schaltkreis 100 befindet.
  • 14 stellt eine vereinfachte Version einer Draufsicht für einen beispielhaften Resonator gemäß Ausführungsformen der Erfindung dar. Bei dem Resonator kann es sich zum Beispiel um einen Auslese-Resonator 106 handeln. In 14 weist der Auslese-Resonator 106 eine obere Kondensator-Kontaktstelle 304 und eine untere Kondensator-Kontaktstelle 204 auf, die den Kondensator 150 bilden. Die obere Kondensator-Kontaktstelle 304 ist mit dem induktiven Element 130 verbunden. Das induktive Element 130 ist als ein kinetischer Induktor dargestellt, der aus einem Material mit einer hohen kinetischen Induktanz gebildet ist, und der kinetische Induktor kann in einer geraden Linie, nahezu einer geraden Linie, einer diagonalen Linie etc. ausgebildet sein. Wie vorstehend angemerkt, kann das Material mit einer hohen kinetischen Induktanz für den kinetischen Induktor Niobnitrid (NbN), Niobtitannitrid (NbTiN) und/oder Titannitrid (TiN) aufweisen.
  • 15 ist eine Querschnittsansicht des beispielhaften Resonators in 14 gemäß Ausführungsformen der Erfindung. 15 stellt nur einen beispielhaften Bereich eines supraleitenden Qubit-Schaltkreises 100 dar, und es versteht sich, dass weitere Schaltkreiselemente vorhanden sind. 15 zeigt die untere Kondensator-Kontaktstelle 204 auf der Qubit-Ebene 202 (wobei die Qubits nicht gezeigt sind) und die obere Kondensator-Kontaktstelle 304 auf der Auslese-Ebene 302, so dass dadurch der Kondensator 150 gebildet wird.
  • Das induktive Element 130 befindet sich (nur) auf der Auslese-Ebene 302 und ist mit der oberen Kondensator-Kontaktstelle 304 verbunden. Wie aus den 14 und 15 ersichtlich, ist das induktive Element 130 gemäß Ausführungsformen der Erfindung nicht auf eine spiralförmige Spule 332 beschränkt, sondern kann auch andere Formen und/oder Auslegungen aufweisen. Die Qubit-Ebene 202 (eine Schaltkreisebene) und das untere Substrat 402 bilden zusammen einen unteren Chip, und die Auslese-Ebene 302 (eine Schaltkreisebene) und das obere Substrat 404 bilden zusammen einen oberen Chip.
  • Zusätzlich zu dem Auslese-Resonator 106 ist ein Lot-Bump 1110 gezeigt, der die Qubit-Ebene 202 und die Auslese-Ebene 302 verbindet. Es können ein oder mehrere Lot-Bumps 1110 verwendet werden, um zum Beispiel Masse-Ebenen auf der Qubit-Ebene 202 mit der Auslese-Ebene 302 zu verbinden und/oder um je nach Bedarf weitere Schaltkreiselemente zwischen der Qubit-Ebene und der Auslese-Ebene zu verbinden. Der Lot-Bump 1110 kann mit einer oberen intermetallischen Kontaktstelle 1114 der Auslese-Ebene 302 verbunden sein und kann mit einer unteren intermetallischen Kontaktstelle 1104 der Qubit-Ebene 202 verbunden sein. Der Lot-Bump 1110, die obere intermetallische Kontaktstelle 1114 sowie die untere intermetallische Kontaktstelle 1104 sind aus einem supraleitenden Material hergestellt.
  • 16 stellt eine vereinfachte Version einer Draufsicht für einen beispielhaften Resonator gemäß Ausführungsformen der Erfindung dar. Bei dem Resonator kann es sich zum Beispiel um einen Auslese-Resonator 106 handeln. In 16 weist der Auslese-Resonator 106 eine obere Kondensator-Kontaktstelle 304 und eine untere Kondensator-Kontaktstelle 204 auf, die den Kondensator 150 bilden. Die obere Kondensator-Kontaktstelle 304 ist mit dem induktiven Element 130 verbunden. Das induktive Element 130 ist wiederum als ein kinetischer Induktor dargestellt, der aus einem Material mit einer hohen kinetischen Induktanz gebildet ist, wie vorstehend erörtert.
  • 17 ist eine Querschnittsansicht des Resonators in 16 gemäß Ausführungsformen der Erfindung. 17 stellt nur einen beispielhaften Bereich eines supraleitenden Qubit-Schaltkreises 100 dar, und es versteht sich, dass weitere Schaltkreiselemente vorhanden sind. 17 zeigt die untere Kondensator-Kontaktstelle 204 auf der Qubit-Ebene 202 (und das Qubit ist nicht gezeigt) sowie die obere Kondensator-Kontaktstelle 304 auf der Auslese-Ebene 302, so dass dadurch der Kondensator 150 gebildet wird. Das induktive Element 130 befindet sich (nur) auf der Auslese-Ebene 302 und ist mit der oberen Kondensator-Kontaktstelle 304 verbunden. Wie aus den 16 und 17 ersichtlich, ist das induktive Element 130 gemäß Ausführungsformen der Erfindung nicht auf eine spiralförmige Spule 332 beschränkt, sondern kann auch andere Formen und/oder Auslegungen aufweisen. Die Qubit-Ebene 202 (eine Schaltkreisebene) und die Auslese-Ebene 302 (eine Schaltkreisebene) sind auf entgegengesetzten Seiten des Wafers 502 ausgebildet (sind Schaltkreise).
  • Zusätzlich zu dem Auslese-Resonator 106 zeigt 17 (anders als 15) einen Silicium-Durchkontakt 1310, der die Qubit-Ebene 202 und die Auslese-Ebene 302 verbindet. Es können ein oder mehrere Silicium-Durchkontakte 1310 verwendet werden, um zum Beispiel Masse-Ebenen auf der Qubit-Ebene 202 mit der Auslese-Ebene 302 zu verbinden und/oder um je nach Bedarf weitere Schaltkreiselemente zwischen der Qubit-Ebene und der Auslese-Ebene zu verbinden. Die Silicium-Durchkontakte 1310 können mit einer oberen Durchkontakt-Kontaktstelle 1314 der Auslese-Ebene 302 verbunden sein und können mit einer unteren Durchkontakt-Kontaktstelle 1304 der Qubit-Ebene 202 verbunden sein. Der Silicium-Durchkontakt 1310, die obere Durchkontakt-Kontaktstelle 1314 und die untere Durchkontakt-Kontaktstelle 1304 sind aus supraleitenden Materialien hergestellt, wie hierin erörtert.
  • 18 stellt eine vereinfachte Version einer Draufsicht für einen beispielhaften Resonator gemäß Ausführungsformen der Erfindung dar. Bei dem Resonator kann es sich zum Beispiel um einen Auslese-Resonator 106 handeln. In 18 weist der Auslese-Resonator 106 eine obere Kondensator-Kontaktstelle 304 und eine untere Kondensator-Kontaktstelle 204 auf, die den Kondensator 150 bilden. Die obere Kondensator-Kontaktstelle 304 ist mit dem induktiven Element 130 verbunden. Das induktive Element 130 ist als eine Übertragungsleitung aus einem spiralförmigen Induktor dargestellt, die mit irgendeiner Seite des Kondensators 150 verbunden ist. Das spiralförmige induktive Element 130 weist ein Mittelstück 1802 auf. Das eine Ende der spiralförmigen Übertragungsleitung ist mit der oberen Kondensator-Kontaktstelle 304 verbunden, und das andere Ende der spiralförmigen Übertragungsleitung ist mit dem Mittelstück 1802 verbunden. Ein Verbindungselement 1820 ist mit dem Mittelstück 1802 verbunden, und das Verbindungselement 1820 kann mit einem weiteren Schaltkreiselement verbunden sein, wie beispielsweise einer Übertragungsleitung für eine externe Verbindung. Ein dielektrisches Crossover 1822 befindet sich so unterhalb des Verbindungselements 1820, dass es das Verbindungselement 1820 von der spiralförmigen Übertragungsleitung darunter trennt. Bei einigen Realisierungen kann es sich bei dem dielektrischen Crossover 1822 um eine Luftbrücke derart handeln, dass das dielektrische Crossover 1822 aus Luft oder einem Raum zwischen dem Verbindungselement 1820 und der spiralförmigen Übertragungsleitung darunter besteht. Bei einigen Realisierungen kann es sich bei dem dielektrischen Crossover 1822 um ein dielektrisches Material handeln, wie beispielsweise ein Oxid, ein Nitrid etc. Der Induktor 130, der die spiralförmige Übertragungsleitung und das Mittelstück 1802 (zusammen mit dem Verbindungselement 1820) aufweist, und der Kondensator 150, der die obere Kondensator-Kontaktstelle 304 und den unteren Kondensator-Kontaktstelle 204 aufweist, können aus einem supraleitenden Material gebildet sein.
  • 19 ist eine Querschnittsansicht des Resonators in 18 gemäß Ausführungsformen der Erfindung. 19 stellt nur einen beispielhaften Bereich eines supraleitenden Qubit-Schaltkreises 100 dar, und es versteht sich, dass weitere Schaltkreiselemente vorhanden sind. 19 zeigt die untere Kondensator-Kontaktstelle 204 auf der Qubit-Ebene 202 (wobei die Qubits nicht gezeigt sind) und die obere Kondensator-Kontaktstelle 304 auf der Auslese-Ebene 302, so dass dadurch der Kondensator 150 gebildet wird.
  • Das induktive Element 130 befindet sich (nur) auf der Auslese-Ebene 302 und ist mit der oberen Kondensator-Kontaktstelle 304 verbunden. Wie aus den 18 und 19 ersichtlich, ist das induktive Element 130 gemäß Ausführungsformen der Erfindung nicht auf eine spiralförmige Spule 332 um den Kondensator herum beschränkt, sondern kann auch andere Formen und/oder Auslegungen aufweisen und sich an anderen Orten befinden. Die Qubit-Ebene 202 (eine Schaltkreisebene) und das untere Substrat 402 bilden zusammen einen unteren Chip, und die Auslese-Ebene 302 (eine Schaltkreisebene) und das obere Substrat 404 bilden zusammen einen oberen Chip.
  • Zusätzlich zu dem Auslese-Resonator 106 ist ein Lot-Bump 1110 gezeigt, der die Qubit-Ebene 202 und die Auslese-Ebene 302 verbindet. Es können ein oder mehrere Lot-Bumps 1110 verwendet werden, um zum Beispiel Masse-Ebenen auf der Qubit-Ebene 202 mit der Auslese-Ebene 302 zu verbinden und/oder um je nach Bedarf weitere Schaltkreiselemente zwischen der Qubit-Ebene und der Auslese-Ebene zu verbinden. Details des Lot-Bumps 1110, der oberen intermetallischen Kontaktstelle 1114 und der unteren intermetallischen Kontaktstelle 1104 wurden hierin erörtert.
  • 20 stellt eine vereinfachte Version einer Draufsicht für einen beispielhaften Resonator gemäß Ausführungsformen der Erfindung dar. Bei dem Resonator kann es sich zum Beispiel um einen Auslese-Resonator 106 handeln. In 20 weist der Auslese-Resonator 106 eine obere Kondensator-Kontaktstelle 304 und eine untere Kondensator-Kontaktstelle 204 auf, die den Kondensator 150 bilden. Die obere Kondensator-Kontaktstelle 304 ist mit dem induktiven Element 130 verbunden. Das induktive Element 130 ist wiederum als eine Übertragungsleitung aus einem spiralförmigen Induktor dargestellt, die mit irgendeiner Seite des Kondensators 150 verbunden ist. Das spiralförmige induktive Element 130 weist ein Mittelstück 1802 auf. Das eine Ende der spiralförmigen Übertragungsleitung ist mit der oberen Kondensator-Kontaktstelle 304 verbunden, und das andere Ende der spiralförmigen Übertragungsleitung ist mit dem Mittelstück 1802 verbunden. Ein Verbindungselement 1820 ist mit dem Mittelstück 1802 verbunden, das Verbindungselement 1820 kann mit einem weiteren Schaltkreiselement verbunden sein, wie beispielsweise einer Übertragungsleitung für eine externe Verbindung. Ein dielektrisches Crossover 1822 befindet sich so unterhalb des Verbindungselements, dass es das Verbindungselement 1820 von der spiralförmigen Übertragungsleitung darunter trennt. Bei einigen Realisierungen kann es sich bei dem dielektrischen Crossover 1822 um eine Luftbrücke derart handeln, dass das dielektrische Crossover 1822 aus Luft oder einem Raum zwischen dem Verbindungselement 1820 und der spiralförmigen Übertragungsleitung besteht. Bei einigen Realisierungen kann es sich bei dem dielektrischen Crossover 1822 um ein dielektrisches Material handeln, wie beispielsweise ein Oxid, ein Nitrid etc. Der Induktor 130, der die spiralförmige Übertragungsleitung und das Mittelstück 1802 (zusammen mit dem Verbindungselement 1820) aufweist, und der Kondensator 150, der die obere Kondensator-Kontaktstelle 304 und den unteren Kondensator-Kontaktstelle 204 aufweist, können aus einem supraleitenden Material gebildet sein.
  • 21 ist eine Querschnittsansicht des Resonators in 20 gemäß Ausführungsformen der Erfindung. 20 stellt nur einen beispielhaften Bereich eines supraleitenden Qubit-Schaltkreises 100 dar, und es versteht sich, dass weitere Schaltkreiselemente vorhanden sind. 20 zeigt die untere Kondensator-Kontaktstelle 204 auf der Qubit-Ebene 202 (und das Qubit ist nicht gezeigt) und die obere Kondensator-Kontaktstelle 304 auf der Auslese-Ebene 302, so dass dadurch der Kondensator 150 gebildet wird. Das induktive Element 130 befindet sich (nur) auf der Auslese-Ebene 302 und ist mit der oberen Kondensator-Kontaktstelle 304 verbunden. Wie aus den 20 und 21 ersichtlich, ist das induktive Element 130 gemäß Ausführungsformen der Erfindung nicht auf eine spiralförmige Spule 332 um den Kondensator herum beschränkt, sondern kann auch andere Formen und/oder Auslegungen aufweisen und sich an anderen Orten befinden. Die Qubit-Ebene 202 (eine Schaltkreisebene) und die Auslese-Ebene 302 (eine Schaltkreisebene) sind auf entgegengesetzten Seiten des Wafers 502 ausgebildet (sind Schaltkreise).
  • Zusätzlich zu dem Auslese-Resonator 106 zeigt 21 (anders als 19) einen Silicium-Durchkontakt 1310, der die Qubit-Ebene 202 und die Auslese-Ebene 302 verbindet. Es können ein oder mehrere Silicium-Durchkontakte 1310 verwendet werden, um zum Beispiel Masse-Ebenen auf der Qubit-Ebene 202 mit der Auslese-Ebene 302 zu verbinden und/oder um je nach Bedarf weitere Schaltkreiselemente zwischen der Qubit-Ebene und der Auslese-Ebene zu verbinden. Details der Silicium-Durchkontakte 1310, der oberen Durchkontakt-Kontaktstelle 1314 und der unteren Durchkontakt-Kontaktstelle 1304 wurden hierin erörtert.
  • In den 18 bis 21 ist das Mittelstück 1802 gezeigt, das mit einem Verbindungselement 1820 verbunden ist, das dann mit weiteren Schaltkreiselementen verbunden sein kann, während das andere Ende des spiralförmigen Induktors 130 so gezeigt ist, dass es mit der Kondensator-Kontaktstelle 304 verbunden ist. Diese Verbindungen können umgekehrt sein. Zum Beispiel kann das Verbindungselement 1820 mit der oberen Kondensator-Kontaktstelle 304 verbunden sein, während das andere Ende des spiralförmigen Induktors 130 dann mit weiteren Schaltkreiselementen verbunden sein kann.
  • 22 stellt eine vereinfachte Version einer Draufsicht für einen beispielhaften Resonator gemäß Ausführungsformen der Erfindung dar. Bei dem Resonator kann es sich zum Beispiel um einen Auslese-Resonator 106 handeln. In 22 weist der Auslese-Resonator 106 eine obere Kondensator-Kontaktstelle 304 und eine untere Kondensator-Kontaktstelle 204 auf, die den Kondensator 150 bilden. Die obere Kondensator-Kontaktstelle 304 ist mit dem induktiven Element 130 verbunden. Das induktive Element 130 ist als ein Josephson-Übergang oder als eine Anordnung von Josephson-Übergängen 2250 dargestellt. Der Josephson-Übergang oder die Anordnung von Josephson-Übergängen 2250 weist eine erste supraleitende Elektrode 2252A und eine zweite supraleitende Elektrode 2252B auf, die durch eine Tunnelbarriere 2302 getrennt sind (in 23 dargestellt). Die erste supraleitende Elektrode 2252A ist durch eine linke supraleitende Leitung 2242 mit der oberen Kondensator-Kontaktstelle 304 verbunden. Eine rechte supraleitende Leitung 2244 ist mit der zweiten supraleitenden Elektrode 2252B verbunden, und die rechte supraleitende Leitung 2244 ist mit weiteren Schaltkreiselementen verbunden, wie zum Beispiel einem Qubit, der externen Umgebung (z.B. dem System 190, 192) etc. Jeder Josephson-Übergang in der Anordnung weist sein eigenes erstes und sein eigenes zweites supraleitendes Element 2252A und 2252B zusammen mit seiner Tunnelbarriere 2302 auf. Der Josephson-Übergang kann in Reihe geschaltet sein.
  • 23 ist eine Querschnittsansicht des Resonators in 22 gemäß Ausführungsformen der Erfindung. 23 stellt nur einen beispielhaften Bereich eines supraleitenden Qubit-Schaltkreises 100 dar, und es versteht sich, dass weitere Schaltkreiselemente vorhanden sind. Wie ersichtlich, ist der Josephson-Übergang oder die Anordnung von Josephson-Übergängen 2250 schematisch als zwei überlappende supraleitende Schichten 2252A und 2252B mit der Tunnelbarriere 2302 dazwischen dargestellt. Die Tunnelbarriere 2302 kann aus der Gruppe ausgewählt werden, die ein dielektrisches Material, einen kurzen Abschnitt eines normalen (nicht supraleitenden) Metalls (das bei der kryogenen Temperatur des supraleitenden Materials nicht supraleitend wird) und/oder eine Einschnürung eines Supraleiters (d.h. ein eingeschnürtes supraleitendes Material) aufweist, wie für einen Fachmann verständlich.
  • Die supraleitenden Materialien, die als Verbindungen verwendet werden (als rechte supraleitende Leitung 2244 und als linke supraleitende Leitung 2242) können sich bei einigen Realisierungen von dem supraleitenden Material unterscheiden, das für den Kondensator 150 verwendet wird (für die obere Kondensator-Kontaktstelle 304 und für den unteren Kondensator-Kontaktstelle 204), und es kann sich bei einigen Realisierungen um das gleiche wie das supraleitende Material handeln, das für den Kondensator 150 verwendet wird. Das Gleiche gilt für die supraleitenden Materialien, die in dem zumindest einen Josephson-Übergang oder in der Anordnung von Josephson-Übergängen 2250 verwendet werden (d.h. in dem Induktor 130). Das supraleitende Material, das für die erste supraleitende Elektrode 2252A und die zweite supraleitende Elektrode 2252B verwendet wird, kann das gleiche wie das supraleitende Material sein oder kann sich von diesem unterscheiden, das für die Kondensatoren 150 verwendet wird, und/oder wie das supraleitende Material, das für die linke und die rechte supraleitende Leitung 2242 und 2244 verwendet wird.
  • 23 zeigt die untere Kondensator-Kontaktstelle 204 auf der Qubit-Ebene 202 (und das Qubit ist nicht gezeigt) und die obere Kondensator-Kontaktstelle 304 auf der Auslese-Ebene 302, so dass dadurch der Kondensator 150 gebildet wird. Das induktive Element 130 befindet sich (nur) auf der Auslese-Ebene 302 und ist mit der oberen Kondensator-Kontaktstelle 304 verbunden. Wie aus den 22 und 23 ersichtlich, ist das induktive Element 130 gemäß Ausführungsformen der Erfindung nicht auf eine spiralförmige Spule 332 um den Kondensator herum beschränkt, sondern eine andere Einheit (d.h. ein oder mehrere Josephson-Übergänge 2250 sind möglich). Die Qubit-Ebene 202 (eine Schaltkreisebene) und das untere Substrat 402 bilden zusammen einen unteren Chip, und die Auslese-Ebene 302 (eine Schaltkreisebene) und das obere Substrat 404 bilden zusammen einen oberen Chip.
  • Zusätzlich zu dem Auslese-Resonator 106 ist der Lot-Bump 1110 gezeigt, der die Qubit-Ebene 202 und die Auslese-Ebene 302 verbindet. Es können ein oder mehrere Lot-Bumps 1110 verwendet werden, um zum Beispiel Masse-Ebenen auf der Qubit-Ebene 202 mit der Auslese-Ebene 302 zu verbinden und/oder um je nach Bedarf weitere Schaltkreiselemente zwischen der Qubit-Ebene und der Auslese-Ebene zu verbinden. Details des Lot-Bumps 1110, der oberen intermetallischen Kontaktstelle 1114 und der unteren intermetallischen Kontaktstelle 1104 sind hierin erörtert.
  • 24 stellt eine vereinfachte Version einer Draufsicht für einen beispielhaften Resonator gemäß Ausführungsformen der Erfindung dar. Bei dem Resonator kann es sich zum Beispiel um einen Auslese-Resonator 106 handeln. In 24 weist der Auslese-Resonator 106 eine obere Kondensator-Kontaktstelle 304 und eine untere Kondensator-Kontaktstelle 204 auf, die den Kondensator 150 bilden. Die obere Kondensator-Kontaktstelle 304 ist mit dem induktiven Element 130 verbunden. Wie vorstehend erörtert, ist das induktive Element 130 als ein Josephson-Übergang oder als eine Anordnung von Josephson-Übergängen 2250 dargestellt. Der Josephson-Übergang oder die Anordnung von Josephson-Übergängen 2250 weist eine erste supraleitende Elektrode 2252A und eine zweite supraleitende Elektrode 2252B auf, die durch eine Tunnelbarriere 2302 getrennt sind (in 25 dargestellt). Die erste supraleitende Elektrode 2252A ist durch eine linke supraleitende Leitung 2242 mit der oberen Kondensator-Kontaktstelle 304 verbunden. Eine rechte supraleitende Leitung 2244 ist mit der zweiten supraleitenden Elektrode 2252B verbunden, und die rechte supraleitende Leitung 2244 ist mit weiteren Schaltkreiselementen verbunden, wie zum Beispiel einem Qubit, der externen Umgebung (z.B. dem System 190, 192) etc.
  • 25 ist eine Querschnittsansicht des Resonators in 24 gemäß Ausführungsformen der Erfindung. 25 stellt nur einen beispielhaften Bereich eines supraleitenden Qubit-Schaltkreises 100 dar, und es versteht sich, dass weitere Schaltkreiselemente vorhanden sind. Wie ersichtlich, ist der Josephson-Übergang oder die Anordnung von Josephson-Übergängen 2250 schematisch als zwei überlappende supraleitende Schichten 2252A und 2252B mit der Tunnelbarriere 2302 dazwischen dargestellt. Die Tunnelbarriere 2302 kann aus der Gruppe ausgewählt werden, die ein dielektrisches Material, einen kurzen Abschnitt eines normalen (nicht supraleitenden) Metalls (das nicht supraleitend wird) und/oder eine Einschnürung eines Supraleiters aufweist, wie für einen Fachmann verständlich.
  • Wie vorstehend angemerkt, können sich die supraleitenden Materialien, die als Verbindungen verwendet werden (als rechte supraleitende Leitung 2244 und als linke supraleitende Leitung 2242) bei einigen Realisierungen von dem supraleitenden Material unterscheiden, das für den Kondensator 150 verwendet wird (für die obere Kondensator-Kontaktstelle 304 und für den unteren Kondensator-Kontaktstelle 204), und es kann sich bei einigen Realisierungen um das gleiche wie das supraleitende Material handeln, das für den Kondensator 150 verwendet wird. Das Gleiche gilt für die supraleitenden Materialien, die in dem zumindest einen Josephson-Übergang oder in der Anordnung von Josephson-Übergängen 2250 verwendet werden (d.h. in dem Induktor 130). Das supraleitende Material, das für die erste supraleitende Elektrode 2252A und die zweite supraleitende Elektrode 2252B verwendet wird, kann das gleiche wie das supraleitende Material sein oder kann sich von diesem unterscheiden, das für die Kondensatoren 150 verwendet wird, und/oder wie das supraleitende Material, das für die linke und die rechte supraleitende Leitung 2242 und 2244 verwendet wird.
  • 25 zeigt die untere Kondensator-Kontaktstelle 204 auf der Qubit-Ebene 202 (und das Qubit ist nicht gezeigt) und die obere Kondensator-Kontaktstelle 304 auf der Auslese-Ebene 302, so dass dadurch der Kondensator 150 gebildet wird. Das induktive Element 130 befindet sich (nur) auf der Auslese-Ebene 302 und ist mit der oberen Kondensator-Kontaktstelle 304 verbunden. Wie aus den 24 und 25 ersichtlich, ist das induktive Element 130 gemäß Ausführungsformen der Erfindung nicht auf eine spiralförmige Spule 332 um den Kondensator herum beschränkt, sondern eine andere Einheit (d.h. ein oder mehrere Josephson-Übergänge 2250 sind möglich). Die Qubit-Ebene 202 (eine Schaltkreisebene) und die Auslese-Ebene 302 (eine Schaltkreisebene) sind auf entgegengesetzten Seiten des Wafers 502 ausgebildet (sind Schaltkreise).
  • Zusätzlich zu dem Auslese-Resonator 106 zeigt 25 (anders als 23) einen Silicium-Durchkontakt 1310, der die Qubit-Ebene 202 und die Auslese-Ebene 302 verbindet. Es können ein oder mehrere Silicium-Durchkontakte 1310 verwendet werden, um zum Beispiel Masse-Ebenen auf der Qubit-Ebene 202 mit der Auslese-Ebene 302 zu verbinden und/oder um je nach Bedarf weitere Schaltkreiselemente zwischen der Qubit-Ebene und der Auslese-Ebene zu verbinden. Details der Silicium-Durchkontakte 1310, der oberen Durchkontakt-Kontaktstelle 1314 und der unteren Durchkontakt-Kontaktstelle 1304 wurden hierin erörtert.
  • 26 stellt ein Flussdiagramm 2600 eines Verfahrens für ein Bilden einer Struktur (z.B. eines supraleitenden Qubit-Schaltkreises 100, der das induktive Element auf einer separaten Ebene aufweist) gemäß Ausführungsformen der Erfindung dar. Bei Block 2602 weist eine erste Oberfläche (z.B. eine Auslese-Ebene 302) ein induktives Element 130 eines Resonators auf (z.B. des Auslese-Resonators 106). Bei Block 2604 weist eine zweite Oberfläche (z.B. die Qubit-Ebene 202) einen ersten Bereich (z.B. die Kondensator-Kontaktstelle 204) eines kapazitiven Elements 150 des Resonators (z.B. des Auslese-Resonators 106) und zumindest ein Qubit (z.B. ein oder mehrere Qubits 102) auf, wobei sich ein zweiter Bereich (z.B. die Kondensator-Kontaktstelle 302) des kapazitiven Elements 150 des Resonators auf der ersten Oberfläche befindet.
  • Das kapazitive Element weist eine Zwischenverbindungsstruktur 210 auf. Bei der Zwischenverbindungsstruktur 210 handelt es sich um einen Lot-Bump, wie z.B. in 4 dargestellt. Bei der Zwischenverbindungsstruktur 210 handelt es sich um einen Silicium-Durchkontakt, wie z.B. in 5 dargestellt.
  • Bei der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche handelt es sich um Schaltkreisebenen, und die Schaltkreisebenen befinden sich auf entgegengesetzten Seiten eines Substrats (z.B. des Substrats 502). Bei der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche handelt es sich um Schaltkreisebenen, und die Schaltkreisebenen befinden sich auf unterschiedlichen Substraten (z.B. den Substraten 402 und 404).
  • Die Zwischenverbindungsstruktur 210, die den ersten und den zweiten Bereich verbindet (z.B. die Kondensator-Kontaktstellen 304 und 204), bildet ein Äquipotential zwischen zumindest einem Abschnitt der Zwischenverbindungsstruktur, zumindest einem Abschnitt des ersten Bereichs und zumindest einem Abschnitt des zweiten Bereichs.
  • Bei dem zumindest einen Qubit handelt es sich um ein Quantenbit vom kapazitiven Typ. Das zumindest eine Qubit weist ein Quantenbit vom induktiven Typ auf.
  • 27 stellt ein Flussdiagramm 2700 eines Verfahrens für ein Bilden einer Struktur (z.B. eines supraleitenden Qubit-Schaltkreises 100, der das induktive Element auf einer separaten Ebene aufweist) gemäß Ausführungsformen der Erfindung dar.
  • Bei Block 2702 weist eine erste Oberfläche (z.B. eine Auslese-Ebene 302) induktive Elemente 130 von Resonatoren (z.B. zahlreichen Auslese-Resonatoren 106) und erste Bereiche (z.B. zahlreiche Kondensator-Kontaktstellen 304) von kapazitiven Elementen 150 der Resonatoren auf. Bei Block 2704 weist eine zweite Oberfläche (z.B. eine Qubit-Ebene 202) zumindest zwei Qubits 102 auf, die durch einen Bus-Resonator (z.B. den Bus-Resonator 104) gekoppelt sind, wobei die zweite Oberfläche zweite Bereiche (z.B. zahlreiche Kondensator-Kontaktstellen 204) der kapazitiven Elemente 150 der Resonatoren aufweist. Jeder der Resonatoren (z.B. der Auslese-Resonatoren 106) weist seine eigenen Kondensator-Kontaktstellen 204 und 304 (und optional eine Zwischenverbindung 210) sowie ein induktives Element 130 auf.
  • Bei der ersten Oberfläche handelt es sich um eine erste Schaltkreisebene (z.B. die Auslese-Ebene 302), und bei der zweiten Oberfläche handelt es sich um eine zweite Schaltkreisebene (z.B. die Qubit-Ebene 202) separat von der ersten Schaltkreisebene, so dass die induktiven Elemente 130 der Resonatoren 106 und die zumindest zwei Qubits 102 auf unterschiedlichen Schaltkreisebenen positioniert sind.
  • Bei den Resonatoren handelt es sich um Auslese-Resonatoren 106. Die Auslese-Resonatoren 106 können so betrieben werden, dass sie jeweilige von den zumindest zwei Qubits 102 auslesen. Jeweilige der Auslese-Resonatoren 106 sind mit jeweiligen der zumindest zwei Qubits 102 gekoppelt (z.B. kapazitiv und/oder induktiv gekoppelt). Zum Beispiel können 5, 10, 15 ... 35 oder mehr Qubits 102 mit ihrem eigenen Auslese-Resonator 106 auf einer Eins-zu-Eins-Basis gekoppelt sein, so dass der Zustand des jeweiligen Qubit durch seinen jeweiligen Auslese-Resonator ausgelesen werden kann, wie für einen Fachmann verständlich. Jedes Qubit 102 kann seine eigene individuelle Resonanzfrequenz für ein Adressieren aufweisen, und jeder Auslese-Resonator 106 kann seine eigene individuelle Resonanzfrequenz für ein Auslesen aufweisen.
  • 28 stellt ein Flussdiagramm für ein Bilden eines supraleitenden Qubit-Schaltkreises 100 gemäß Ausführungsformen der Erfindung dar. Bei Block 2802 werden Auslese-Resonatoren 106 so konfiguriert, dass sie jeweils mit Qubits 102 koppeln. Bei Block 2804 werden ein oder mehrere Bus-Resonatoren 104 so konfiguriert, dass sie zumindest zwei der Qubits 102 miteinander koppeln. Wenngleich in 1 ein Bus-Resonator 104 dargestellt ist, der zwei Qubits 102 koppelt, ist ersichtlich, dass der Bus-Resonator 104 3, 4, 5, 7 ... 10 oder mehr Qubits 102 miteinander koppeln kann. Bei Block 2806 weist eine erste Oberfläche (z.B. die Auslese-Ebene 302) induktive Elemente 130 der Auslese-Resonatoren 106 auf. Bei Block 2808 weist eine zweite Oberfläche (z.B. die Qubit-Ebene 202) die Qubits 102 auf, wobei es sich bei der ersten und der zweiten Oberfläche um unterschiedliche Schaltkreisebenen handelt.
  • Wenngleich neuartige Strukturen für Resonatoren als Auslese-Resonatoren erläutert wurden, ist ersichtlich, dass die Resonatoren nicht auf Auslese-Resonatoren beschränkt sind. Es können weitere Resonatoren ausgebildet sein, die Bus-Resonatoren oder auch Qubits aufweisen, wie erörtert, um so ein induktives Element zum Beispiel auf der Auslese-Ebene zu isolieren, die mit der externen Umgebung verbunden ist (z.B. mit der 50-Ohm-Umgebung).
  • Hier sind verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben. Alternative Ausführungsformen können konzipiert werden, ohne von dem Umfang dieser Erfindung abzuweichen. Wenngleich verschiedene Verbindungen und positionellen Beziehungen (z.B. über, unter, benachbart etc.) zwischen Elementen in der Beschreibung und in den Zeichnungen dargelegt sind, erkennt ein Fachmann, dass viele der hier beschriebenen positionellen Beziehungen von der Orientierung unabhängig sind, wenn die beschriebene Funktionalität aufrechterhalten wird, auch wenn die Orientierung geändert wird. Diese Verbindungen und/oder positionellen Beziehungen können direkt oder indirekt sein, wenn nicht etwas anderes spezifiziert ist, und die vorliegende Erfindung soll in dieser Hinsicht nicht beschränkend sein. Dementsprechend kann sich eine Kopplung von Einheiten entweder auf eine direkte oder eine indirekte Kopplung beziehen, und eine positionelle Beziehung zwischen Einheiten kann eine direkte oder eine indirekte positionelle Beziehung sein. Als ein Beispiel für eine indirekte positionelle Beziehung umfassen Bezugnahmen in der vorliegenden Beschreibung auf ein Bilden einer Schicht „A“ über einer Schicht „B“ Situationen, in denen sich eine oder mehrere Zwischenschichten (z.B. eine Schicht „C“) zwischen der Schicht „A“ und der Schicht „B“ befinden, solange die relevanten Eigenschaften und Funktionalitäten der Schicht „A“ und der Schicht „B“ durch die Zwischenschicht(en) nicht wesentlich geändert werden.
  • Die folgenden Definitionen und Abkürzungen sind für die Interpretation der Ansprüche und der Beschreibung zu verwenden. Wie hierin verwendet, sollen die Begriffe „weist auf“, „aufweisend“, „umfasst“, „umfassend“, „weist auf“, „aufweisend“, „enthält“ oder „enthaltend“ oder irgendeine andere Variation derselben eine nicht ausschließliche Einbeziehung abdecken. Zum Beispiel ist eine Zusammensetzung, ein Gemisch, ein Prozess, ein Verfahren, ein Produkt oder eine Vorrichtung, das, der oder die eine Liste von Elementen aufweist, nicht zwangsläufig auf nur diese Elemente beschränkt, sondern kann weitere Elemente aufweisen, die nicht ausdrücklich aufgelistet oder inhärent für eine derartige Zusammensetzung, ein derartiges Gemisch, einen derartigen Prozess, ein derartiges Verfahren, ein derartiges Produkt oder eine derartige Vorrichtung sind.
  • Darüber hinaus wird der Begriff „exemplarisch“ hier so verwendet, dass er die Bedeutung „als ein Beispiel, ein Fall oder eine Darstellung dienen“ hat. Irgendeine Ausführungsform oder eine Auslegung, die hierin als „exemplarisch“ beschrieben ist, ist nicht zwangsläufig als bevorzugt oder vorteilhaft gegenüber anderen Ausführungsformen oder Auslegungen auszulegen. Die Begriffe „zumindest einer/eine/eines“ und „ein oder mehrere“ sind so zu verstehen, dass sie irgendeine ganze Zahl größer als oder gleich eins enthalten, d.h. eins, zwei, drei, vier etc. Der Begriff „eine Mehrzahl“ ist so zu verstehen, dass er irgendeine ganze Zahl größer als oder gleich zwei enthält, d.h. zwei, drei, vier, fünf etc. Der Begriff „Verbindung“ kann eine indirekte „Verbindung“ und eine direkte „Verbindung“ umfassen.
  • Bezugnahmen in der Beschreibung auf „die eine Ausführungsform“, „eine Ausführungsform“, „eine beispielhafte Ausführungsform“ etc. zeigen an, dass die beschriebene Ausführungsform ein spezielles Merkmal, eine spezielle Struktur oder eine spezielle Eigenschaft aufweisen kann, dass es jedoch möglich ist, dass jede Ausführungsform das spezielle Merkmal, die spezielle Struktur oder die spezielle Eigenschaft aufweist oder nicht aufweist. Darüber hinaus beziehen sich derartige Begriffe nicht zwangsläufig auf die gleiche Ausführungsform. Wenn ferner ein spezielles Merkmal, eine spezielle Struktur oder eine spezielle Eigenschaft in Verbindung mit einer Ausführungsform beschrieben wird, wird übermittelt, dass es innerhalb der Kenntnis eines Fachmanns liegt, ein derartiges Merkmal, eine derartige Struktur oder eine derartige Eigenschaft in Verbindung mit anderen Ausführungsformen zu beeinflussen, ob dies explizit beschrieben ist oder nicht.
  • Die Begriffe „etwa“, „im Wesentlichen“, „ungefähr“ und Variationen derselben sollen das Ausmaß eines Fehlers, der mit einer Messung der speziellen Größe verbunden ist, basierend auf den Geräten umfassen, die zum Zeitpunkt der Einreichung der Anmeldung zur Verfügung stehen. „Etwa“ kann zum Beispiel einen Bereich von ± 8% oder 5 % oder 2 % eines gegebenen Werts umfassen.
  • Wie zuvor hierin angemerkt, ist es möglich, dass herkömmliche Techniken in Bezug auf die Herstellung einer supraleitenden Einheit und einer integrierten Schaltung (IC) der Kürze halber hierin im Detail beschrieben sind oder nicht beschrieben sind. Als Hintergrund wird im Folgenden jedoch eine allgemeinere Beschreibung der Herstellungsprozesse für supraleitende Einheiten bereitgestellt, die bei einer Realisierung von einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. Wenngleich spezifische Herstellungsarbeitsgänge, die bei einer Realisierung von einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden, einzeln betrachtet bekannt sein können, ist die beschriebene Kombination von Arbeitsgängen und/oder resultierenden Strukturen der vorliegenden Erfindung einzigartig. So verwendet die einzigartige Kombination der in Verbindung mit der Herstellung einer Halbleitereinheit gemäß der vorliegenden Erfindung beschriebenen Arbeitsgänge eine Vielzahl von einzeln betrachtet bekannten physikalischen und chemischen Prozessen, die an einem supraleitenden über einem dielektrischen Substrat (z.B. einem Silicium-Substrat) durchgeführt werden, von denen einige in den unmittelbar folgenden Abschnitten beschrieben werden.
  • Im Allgemeinen fallen die unterschiedlichen Prozesse, die zur Bildung eines Mikro-Chips verwendet werden, der in einen IC gepackt wird, in allgemeine Kategorien, die eine Schichtabscheidung, einen Entfernungs-/Ätzprozess und einen Strukturierungs-/Lithographie-Prozess umfassen. Bei der Abscheidung handelt es sich um irgendeinen Prozess, bei dem ein Material auf dem Wafer aufgewachsen, beschichtet oder auf andere Weise transferiert wird. Zur Verfügung stehende Technologien umfassen unter anderem physikalische Gasphasenabscheidung (PVD), chemische Gasphasenabscheidung (CVD), elektrochemische Abscheidung (ECD), Molekularstrahlepitaxie (MBE) und in jüngerer Zeit atomare Schichtabscheidung (ALD). Bei einem Entfernungs-/Ätzprozess handelt es sich um irgendeinen Prozess, bei dem Material von dem Wafer entfernt wird. Beispiele umfassen Ätzprozesse (entweder Nass- oder Trocken-Ätzprozesse) sowie eine chemisch-mechanische Planarisierung (CMP) und dergleichen. Schichten sowohl aus Leitern (z.B. Polysilicium, Aluminium, Kupfer etc.) als auch Isolatoren (z.B. verschiedene Formen von Siliciumdioxid, Siliciumnitrid etc.) werden dazu verwendet, Komponenten zu verbinden und zu isolieren. Bei Lithographie handelt es sich um die Bildung von dreidimensionalen Relief-Bildern oder - Strukturen auf dem Halbleitersubstrat für einen nachfolgenden Transfer der Struktur auf das Substrat. Bei einer Lithographie werden Strukturen durch ein lichtempfindliches Polymer gebildet, das als ein Photoresist bezeichnet wird. Um die komplexen Strukturen eines Schaltkreises aufzubauen, werden Lithographie- und Ätzstrukturtransfer-Schritte mehrere Male wiederholt. Jede Struktur, die auf den Wafer gedruckt wird, wird zu den zuvor gebildeten Strukturen ausgerichtet, und die Leiter, Isolatoren und anderen Bereiche werden langsam aufgebaut, um die endgültige Einheit zu bilden.
  • Das Flussdiagramm und die Blockschaubilder in den Figuren stellen mögliche Realisierungen von Herstellungs- und/oder Arbeitsverfahren gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar. Verschiedene Funktionen/Arbeitsvorgänge des Verfahrens sind durch Blöcke in dem Flussdiagramm dargestellt. Bei einigen alternativen Realisierungen können die Funktionen, die in den Blöcken vermerkt sind, in einer anderen Reihenfolge auftreten als in den Figuren vermerkt. Zwei Blöcke, die aufeinanderfolgend gezeigt sind, können zum Beispiel in Wirklichkeit im Wesentlichen gleichzeitig ausgeführt werden, oder die Blöcke können mitunter in Abhängigkeit von der involvierten Funktionalität in der umgekehrten Reihenfolge ausgeführt werden.

Claims (25)

  1. Struktur, die aufweist: eine erste Oberfläche, die ein induktives, spiralförmiges Element eines Resonators aufweist; und eine zweite Oberfläche, die einen ersten Bereich eines kapazitiven Elements des Resonators und zumindest ein Qubit aufweist, wobei sich ein zweiter Bereich des kapazitiven Elements des Resonators auf der ersten Oberfläche befindet, wobei sich das induktive, spiralförmige Element um den zweiten Bereich des kapazitiven Elements windet.
  2. Struktur nach Anspruch 1, wobei das kapazitive Element eine Zwischenverbindungsstruktur aufweist.
  3. Struktur nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Zwischenverbindungsstruktur einen Lot-Bump aufweist.
  4. Struktur nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Zwischenverbindungsstruktur einen Silicium-Durchkontakt aufweist.
  5. Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Oberfläche und die zweite Oberfläche Schaltkreisebenen aufweisen, wobei sich die Schaltkreisebenen auf entgegengesetzten Seiten eines Substrats befinden.
  6. Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Oberfläche und die zweite Oberfläche Schaltkreisebenen aufweisen, wobei sich die Schaltkreisebenen auf unterschiedlichen Substraten befinden.
  7. Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Zwischenverbindungsstruktur, die den ersten und den zweiten Bereich verbindet, ein Äquipotential zwischen der Zwischenverbindungsstruktur, dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich bildet.
  8. Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zumindest eine Qubit ein Quantenbit vom kapazitiven Typ aufweist.
  9. Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das zumindest eine Qubit ein Quantenbit vom induktiven Typ aufweist.
  10. Verfahren für ein Bilden einer Struktur, wobei das Verfahren aufweist: Anordnen eines induktiven, spiralförmigen Elements eines Resonators auf einer ersten Oberfläche; und Anordnen eines ersten Bereichs eines kapazitiven Elements des Resonators und zumindest eines Qubit auf einer zweiten Oberfläche, wobei sich ein zweiter Bereich des kapazitiven Elements des Resonators auf der ersten Oberfläche befindet, wobei sich das induktive, spiralförmige Element um den zweiten Bereich des kapazitiven Elements windet.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei das kapazitive Element eine Zwischenverbindungsstruktur aufweist.
  12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Zwischenverbindungsstruktur einen Lot-Bump aufweist.
  13. Verfahren nach Anspruch 10, 11 oder 12, wobei die Zwischenverbindungsstruktur einen Silicium-Durchkontakt aufweist.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die erste Oberfläche und die zweite Oberfläche Schaltkreisebenen aufweisen, wobei sich die Schaltkreisebenen auf entgegengesetzten Seiten eines Substrats befinden.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei die erste Oberfläche und die zweite Oberfläche Schaltkreisebenen aufweisen, wobei sich die Schaltkreisebenen auf unterschiedlichen Substraten befinden.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, wobei eine Zwischenverbindungsstruktur, die den ersten und den zweiten Bereich verbindet, ein Äquipotential zwischen der Zwischenverbindungsstruktur, dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich bildet.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 16, wobei das zumindest eine Qubit ein Quantenbit vom kapazitiven Typ aufweist.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 17, wobei das zumindest eine Qubit ein Quantenbit vom induktiven Typ aufweist.
  19. Struktur, die aufweist: eine erste Oberfläche, die induktive, spiralförmige Elemente von Resonatoren und erste Bereiche von kapazitiven Elementen der Resonatoren aufweist; und eine zweite Oberfläche, die zumindest zwei Qubits aufweist, die durch einen Bus-Resonator gekoppelt sind, wobei die zweite Oberfläche zweite Bereiche der kapazitiven Elemente der Resonatoren aufweist, wobei mindestens eines der der induktiven, spiralförmigen Elemente um einen der zweiten Bereiche der kapazitiven Elemente windet.
  20. Struktur nach Anspruch 19, wobei die erste Oberfläche eine erste Schaltkreisebene aufweist und die zweite Oberfläche eine zweite Schaltkreisebene separat von der ersten Schaltkreisebene aufweist, so dass die induktiven, spiralförmigen Elemente der Resonatoren und die zumindest zwei Qubits auf unterschiedlichen Schaltkreisebenen positioniert sind.
  21. Struktur nach Anspruch 19 oder 20, wobei die Resonatoren Auslese-Resonatoren aufweisen.
  22. Struktur nach Anspruch 19, 20 oder 21, wobei die Auslese-Resonatoren betreibbar sind, jeweilige der zumindest zwei Qubits auszulesen.
  23. Struktur nach einem der Ansprüche 19 bis 22, wobei jeweilige der Auslese-Resonatoren mit jeweiligen der zumindest zwei Qubits gekoppelt sind.
  24. Verfahren für ein Bilden einer Struktur, wobei das Verfahren aufweist: Anordnen von induktiven, spiralförmigen Elementen von Resonatoren und ersten Bereichen von kapazitiven Elementen der Resonatoren auf einer ersten Oberfläche; und Anordnen von zumindest zwei durch einen Bus-Resonator gekoppelten Qubits auf einer zweiten Oberfläche, wobei die zweite Oberfläche zweite Bereiche der kapazitiven Elemente der Resonatoren aufweist, wobei mindestens eines der der induktiven, spiralförmigen Elemente um einen der zweiten Bereiche der kapazitiven Elemente windet.
  25. Supraleitender Qubit-Schaltkreis, der aufweist: Auslese-Resonatoren, die so konfiguriert sind, dass sie jeweils mit Qubits koppeln; einen oder mehrere Bus-Resonatoren, dazu konfiguriert, zumindest zwei der Qubits miteinander zu koppeln; eine erste Oberfläche, die induktive, spiralförmige Elemente der Auslese-Resonatoren aufweist; und eine zweite Oberfläche, welche die Qubits aufweist, wobei die erste und die zweite Oberfläche unterschiedliche Schaltkreisebenen sind.
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