JP2021504948A - 複合量子システムにおいて信号をルーティングするためのシステムおよび方法 - Google Patents

複合量子システムにおいて信号をルーティングするためのシステムおよび方法 Download PDF

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Abstract

【課題】量子コンピュータ・システムおよびその配線のための方法を提供する。【解決手段】本発明の実施形態は、２次元平面状構造に配列された複数の量子回路を有するコンピュータ・システムであって、量子回路が量子ビットおよびバス（すなわち、量子ビット−量子ビット相互接続）を備えるコンピュータ・システム、およびそのための形成の方法を開示する。量子コンピュータ・システムは、２次元パターンに配列された複数の量子回路を備える。複数の量子回路の２次元平面の外周に沿っていない、少なくとも１つの内部量子回路は、底部チップ、デバイス層、上部チップおよびルーティング層を含む。信号線は、デバイス層をルーティング層へ接続し、信号線は、２次元平面を破り、例えば、信号線は、異なる平面内へ延びる。【選択図】図２

Description

本発明は、一般に、量子コンピューティング・システムの分野に関し、より詳しくは、内部量子コンピューティング回路用の配線に関する。
追加的な態様もしくは利点またはその両方が、以下の記載において部分的に提示されて、部分的に、その記載から明らかになり、または本発明の実施によって学習されうる。
本発明の実施形態は、２次元平面状構造に配列された複数の量子回路を有するコンピュータ・システムであって、量子回路が量子ビット（qbit）およびバス（すなわち、量子ビット−量子ビット相互接続）を備えるコンピュータ・システム、およびそのための形成の方法を開示する。量子コンピュータ・システムは、２次元パターンに配列された複数の量子回路を備える。複数の量子回路の２次元平面の外周に沿っていない量子回路を意味する、少なくとも１つの内部量子回路は、底部チップ、デバイス層、上部チップおよびルーティング層を含む。信号線は、デバイス層をルーティング層へ接続し、信号線は、２次元平面を破り（すなわち、それに平行ではなく）、例えば、信号線は、異なる平面内へ延びる。
本発明のいくつかの例示的な実施形態の上記および他の態様、特徴および利点は、添付図面と併せて解釈される以下の記載からより明らかになるであろう。
本発明のある実施形態による、複数の量子回路の２次元平面の外周に沿っていない、内部量子回路である。 本発明のある実施形態による、量子回路の分解組立図である。 本発明のある実施形態による、量子回路へのワイヤ・ボンディング・プロセスを示す。 本発明のある実施形態による、量子回路へのワイヤ・ボンディング・プロセスを示す。 本発明のある実施形態による、量子回路へのワイヤ・ボンディング・プロセスを示す。 本発明のある実施形態による、量子回路へのワイヤ・ボンディング・プロセスの方法を示す。
以下の記載は、添付図面を参照して、請求項およびそれらの均等物によって定められるような本発明の例示的な実施形態の包括的な理解を助けるために提供される。以下の記載は、その理解を助けるために種々の具体的な詳細を含むが、これらの詳細は、単に例示的であるに過ぎないと見做されるべきである。それに応じて、本発明の範囲および趣旨から逸脱することなく本明細書に記載される実施形態の様々な変更および修正がなされうることが当業者にわかるであろう。加えて、明確かつ簡潔にするために、よく知られた機能および構成の記述は省略されてよい。
以下の記載および請求項に用いられる用語および単語は、書誌的意味には限定されず、しかし、本発明の明確かつ一貫した理解を可能にするために単に用いられるに過ぎない。それに応じて、本発明の例示的な実施形態の以下の記載は、説明のためにのみ提供され、添付の請求項およびそれらの均等物によって定められるような本発明を限定するために提供されるのではないことが当業者に明らかなはずである。
単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈が明らかに別段の指示をしない限り、複数の指示対象を含むと理解されるべきである。従って、「構成要素表面」への言及は、文脈が明らかに別段の指示をしない限り、１つ以上のかかる表面への言及を含む。
以下の記載のために、「ｕｐｐｅｒ（上側））」、「ｌｏｗｅｒ（下側）」、「ｒｉｇｈｔ（右）」、「ｌｅｆｔ（左）」、「ｖｅｒｔｉｃａｌ（垂直）」、「ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ（水平）」、「ｔｏｐ（上部）」、「ｂｏｔｔｏｍ（底部）」のような用語、およびそれらの派生語は、作図において方向付けられるように、開示される構造および方法に関連すべきである。「ａｂｏｖｅ（より上に）」、「ｏｖｅｒｌｙｉｎｇ（上に重なって）」、「ａｔｏｐ（頂上に）」、「ｏｎ ｔｏｐ（上に）」、「ｐｏｓｉｔｉｏｎｅｄ ｏｎ（上に置かれた）」、または「ｐｏｓｉｔｉｏｎｅｄ ａｔｏｐ（頂上に置かれた）」のような用語は、第１の構造のような第１の要素が、第２の構造のような第２の要素上に存在することを意味し、第１の要素と第２の要素との間には界面構造などの介在要素が存在してもよい。「直接接触」という用語は、第１の構造のような第１の要素と第２の構造のような第２の要素とが２つの要素の界面に仲介する導電、絶縁また半導体層は何もなしに接続されることを意味する。
本発明の実施形態の提示を曖昧にしないために、以下の詳細な記載においては、当技術分野で知られたいくつかの処理ステップまたはオペレーションが、提示のためおよび説明の目的で一緒に組み合わされたこともあり、いくつかの事例では詳細に記載されなかったこともある。他の事例では、当技術分野で知られたいくつかの処理ステップまたはオペレーションがまったく記載されないこともある。理解されるべきは、以下の記載がむしろ本発明の様々な実施形態の際立った特徴または要素に注目していることである。
本発明の実施形態が次に詳細に参照され、添付図面にそれらの例が示される。ここで、同様の参照数字は全体にわたって同様の要素を指す。本発明の実施形態は、一般に、量子システムにおける内部量子回路を対象とする。
本発明の実施形態において、量子システムは、バスによって接続された量子ビットの２次元（２Ｄ）格子を含む。本発明の実施形態は、格子の内部に配列された量子回路のための入力／出力配線用構造、およびそのための作製方法を提供する。上部チップ（ルーティング・チップ）は、底部チップ（デバイス・チップ）の上に載せられ、高純度結晶シリコンから作られてよい。ルーティング・チップは、デバイス・チップ中の量子ビットを乱すリスクを伴わずに伝送ラインがその上にパターン化されたルーティング層を有してよい。デバイス・チップは、バスによって接続された複数の量子ビットをもつデバイス層を含んでよい。信号をルーティング層からデバイス層へルーティングするために、本発明の実施形態は、「スルー・ホール」を上部チップ中に作製するステップを開示する。信号がその場合には上部チップのルーティング層から底部チップのデバイス層へワイヤボンドを通して輸送される。いくつかの実施形態では、（ワイヤを配置する）非常に狭いキャピラリを用いることを許容してよいボール・ボンディング・ツールを用いて、ワイヤボンドがスルー・ホールを通して配置される。用いるスルー・ホールのサイズを縮小すると、よりコンパクトな回路が可能になる。上部チップには、標準的な８インチ・シリコン・ウェーハ（７５０ミクロンのオーダーの厚さ）を用いることができ、スルー・ホールは、１００μｍ〜１０００μｍの直径を有することができる。スルー・ホールの直径は、利用可能なスペースの量によって制限される。一実施形態において、スルー・ホールは、５００μｍの直径を有する。スルー・ホールを用いて内部量子回路を接続すると、格子の内部に位置する量子ビットへ信号ラインをルーティングできて、内部量子ビットと２次元平面外の構造との通信が可能になる。
図１は、本発明のある実施形態による、複数の量子回路の２次元平面の外周に沿っていない、内部量子回路である。図２は、本発明のある実施形態による、量子回路の分解組立図である。
内部量子回路１００は、底部チップ１０５、デバイス層１０７、上部チップ１０９、ルーティング層１１１、信号ライン１１３、ボンディング・パッド１１５，ボンド・ワイヤ１１７、およびスルー・ホール１１９を含む。図２によって示されるような、内部量子回路１００の分解組立図は、量子ビット１２１、読み出し共振器１２３、およびボンディング・パッド１２７のうちの１つのボンド・パッドをさらに示す。図２にはボンディング・パッド１２７のうちの１つのみのボンディング・パッドが描かれるが、理解されるべきは、上部チップ１０９の一部によって覆い隠された第２のボンド・パッド（示されない）をデバイス層１０７が含むことである。ボンディング・パッド１２７の各々は、スルー・ホール１１９のうちの１つのスルー・ホールの下方に位置して、それと位置合わせされる。
デバイス層１０７は、底部チップ１０５の上に形成される。デバイス層１０７は、少なくとも１つの超伝導材料、例えば、ニオブ、アルミニウム、または他の適切な材料を含んでよい構造を含む。描かれた実施形態において、デバイス層１０７は、読み出し共振器１２３、量子ビット１２１、およびボンド・パッド１２７を含む。
量子ビット１２１は、古典的ビットの量子アナログである（量子ビットと呼ばれる）量子情報の単位を処理する構造である。量子ビットは、２状態の量子力学系、例えば、２状態がここでは垂直偏光および水平偏光である、単一フォトンの偏光である。古典系では、１つのビットは、一方または他方の状態になければならないであろう。しかしながら、量子力学は、量子ビットが、量子コンピューティングに基本的な特性である、同時に両方の状態の重ね合わせにあることを許容する。
本発明の実施形態例において、量子ビットは、以下の特性を含む：すなわち、測定中に、量子ビットが２つの異なる状態（｜Ａ＞または｜Ｂ＞）のうちの一方へ射影される。成功裏の読み出しは、２つの状態｜Ａ＞および｜Ｂ＞が安定である間に生じ、その後、量子ビットは、デコヒーレンスを起こしうる。読み出し共振器は、射影された量子ビットの状態に基づく共振周波数に達する。
読み出し共振器の反射または透過係数に基づいて決定できる、読み出し共振周波数に基づいて、量子ビットの射影状態を推測できる。様々な技術を通じてこれを成し遂げることができる。ある技術例では、マイクロ波信号が回路の入力へ印加され、一実施形態例に従って測定後の準安定状態のうちの１つの共振周波数におよそ等しい周波数へチューニングされる。量子ビットが被測定状態へ射影されたときに、量子ビットの伝送ラインへの結合に依存して、印加されたマイクロ波信号が出力へ伝送されるか、あるいは読み出し共振器によって反射される。それゆえに、量子ビット状態に依存して、マイクロ波信号は、特定の振幅および位相を取得することになる。様々な方法で、例えば、ＩＱミキサー、閾値検出器などを用いて、この信号から量子ビット状態の決定を行うことができる。周波数または状態を測定するために他の様々な方法も同様に用いられてよい。
上部チップ１０９は、デバイス層１０７の上にあり、ルーティング層１１１、信号ライン１１３、およびボンディング・パッド１１５を含む。
いくつかの実施形態では、上部チップ１０９の底面内に逆エッチング・パターン（示されない）が形成される。いくつかの実施形態では、ボンディング・パッド１２７より直ぐ上の上部チップ１０９中に追加のスルー・ホール（描かれない）が形成される。逆エッチング・パターンおよび追加のスルー・ホール（描かれない）は、上部チップ１０９から誘起されるいずれかのデコヒーレンスをなおさらに低減するのを潜在的に助けることができるであろう。上部チップ１０９中へ逆エッチング・パターンがエッチングされるならば、デバイス層１０７に面する上部チップ１０９の表面を超伝導体で被覆することもできるであろう。逆エッチング・パターンは、上部チップ１０９が読み出し共振器１２３と接触しないように、読み出し共振器１２３と上部チップ１０９との間にギャップを作り出し、それによって、上部チップ１０９がデバイス層１０７上のデバイスを電気的に短絡させることを防止する。この面を超伝導材料で被覆すると、デバイス間の不要な（電磁）クロストークが低減される。
上部チップ１０９をデバイス層１０７へ位置合わせできるいくつかの方法がある。例えば、チップを目視で位置合わせすることによって、上部チップ１０９中のエッチング・フィーチャを底部チップ１０５上のパターン化フィーチャへ位置合わせできるであろう。フィーチャが十分大きければ、顕微鏡の使用なしに目視で位置合わせが可能である。
上部チップ１０９中に少なくとも１つのスルー・ホール１１９または複数のスルー・ホール１１９を作り出すことができる。反応性イオン・エッチング、ボッシュ・プロセス、レーザ・ミリングもしくは機械プロセスまたはそれらの組み合わせを用いて、上部チップ１０９中にスルー・ホール１１９を作り出すことができる。スルー・ホール１１９は、１００μｍ〜１０００μｍの直径を有することができる。スルー・ホールの直径は、利用可能なスペースの量によって制限される。一実施形態において、スルー・ホール１１９は、５００μｍの直径を有する。別の例では、スルー・ホール１１９がデバイス層１０７および底部チップ１０５中に位置することができる。これは、ボンド・ワイヤ１１７が底部チップ１０５から底部チップ１０５の底に位置する底部ルーティング層（示されない）へ通過することを許容するであろう。
従来の相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）技術においては、内部回路の出力ソースへの接続は、回路の上に誘電体材料を成長させて、スルーめっきビア構造を実装することによって行われてよい。量子回路については、堆積される誘電体のマイクロ波品質が低過ぎて量子ビット・デコヒーレンスを生じさせるであろうという理由で、これが可能であることは証明されていない。
量子デコヒーレンスは、量子コヒーレンスの喪失である。量子力学においては、電子などの粒子が波動のように振る舞い、波動関数によって記述される。これらの波動は、干渉できて、量子粒子の奇妙な振る舞いにつながる。異なる状態間に確かな位相関係が存在する限り、システムは、コヒーレントであると言われる。このコヒーレンスは、量子力学の基本的な特性であり、量子コンピュータの機能にとって必要である。しかしながら、量子系が完全に孤立しておらず、その周囲と接触しているときには、コヒーレンスが、経時的に、量子デコヒーレンスと呼ばれる過程に伴って減衰する。この過程の結果として、量子の振る舞いが失われる。
あらゆるシステムは、その周囲のエネルギー状態と疎結合されているので、デコヒーレンスは、システムから環境中への情報の喪失であると見ることができる。個別に見れば、システムのダイナミックスは、（組み合わされたシステム＋環境がユニタリー発展するとはいえ）非ユニタリーである。結果として、システム単独のダイナミックスは、不可逆的である。任意の結合と同様に、システムと環境との間にはもつれが生成される。これらのもつれは、量子情報を周囲と共有する−またはそれを周囲へ伝達する効果を有する。
デコヒーレンスは、量子力学における波動関数の崩壊を理解するために用いられてきた。デコヒーレンスが実際の波動関数崩壊を生成するわけではない。それは、システムの量子性が環境中へ「漏れる」につれて、波動関数崩壊の観測について説明を提供するに過ぎない。すなわち、波動関数の成分がコヒーレント系から分離されて、それらの直近の周囲から位相を取得する。グロ−バルまたはユニバーサル波動関数の全体的な重ね合わせが依然として存在する（かつグロ−バル・レベルではコヒーレントなままである）が、その究極的な運命は、解釈上の課題として残る。具体的には、デコヒーレンスは、測定問題を説明しようとは試みない。むしろ、デコヒーレンスは、観測者が知覚するそれらの状態に対応すると思われる混合状態への系の遷移について説明を提供する。そのうえ、その測定値を観測するステップは、「アンサンブル」中のまさに１つの状態の「実現」につながるので、観測が示すのは、この混合状態が測定状況における適正な量子アンサンブルのように見えるということである。
量子コンピュータは、量子コヒーレンスの妨げられない発展に大きく依存すると予想されるので、デコヒーレンスは、かかるマシンの実用化に向けた課題をあらわす。端的に言えば、量子コンピューティングを実際に行うために、それらのマシンは、コヒーレント状態が保存されること、およびデコヒーレンスが管理されることを必要とする。
ボンド・ワイヤ１１７は、ボンディング・パッド１１５および１２７を接続するためにスルー・ホール１１９中に位置する。このアプローチの１つの利点は、内部量子回路１００が作動される、極低温（約１０ｍＫ）にシステムが冷却されたときに、システム（例えば、上部チップ１０９、底部チップ１０５）の熱収縮および膨張をボンド・ワイヤ１１７のフレキシビリティが許容することである。デバイス層１０７およびルーティング層１１１の両方の上のボンディング・パッド１１５および１２７上には金の接着層を配置できる。ボンディング・パッド１１５および１２７自体は、量子情報を運ばず、かくして、金のような非超伝導材料を用いたときに生じるであろうような、いくらかのマイクロ波損失を被ることがありうる。
図３〜５は、本発明のある実施形態による、量子回路へのワイヤ・ボンディング・プロセスを示す。図３〜５は、内部量子回路１００に付けられたボンド・ワイヤ１１７を有する、図１の内部量子回路１００のためのボール・ボンディング・シーケンスを示す。
第１のステップ３２０（図３）では、キャピラリ・ツール３１０が（例えば、スルー・ホール１１９のうちの１つである）スルー・ホール３０５、およびデバイス層１０７上の受け取りボンド・パッド１２７の上へ位置合わせされる。第２のステップ３４０（図４）では、キャピラリ・ツール３１０およびボンド・ワイヤ１１７がスルー・ホール３０５中へ下ろされる。圧縮力および超音波パルスを用いて、ボンド・ワイヤ１１７の端部における溶融はんだが受け取りボンド・パッド１２７に付けられる。最終ステップ３６０（図５）では、キャピラリ・ツール３１０がスルー・ホール３０５から取り去られ、圧縮および超音波パルスを用いて、ボンド・ワイヤ１１７の他端がルーティング層１１１上の対応するボンド・パッド１１５に付けられる。
図６は、本発明のある実施形態による、量子回路へのワイヤ・ボンディング・プロセスの方法を示す。
スルー・ホール１１９がルーティング層１１１および上部チップ１０９を通して形成される（Ｓ４１０）。上部チップ１０９がデバイス層１０７の上に配置される（Ｓ４１５）。これらのステップは、上部チップ１０９が底部チップ１０５から分離している間にスルー・ホール１１９が形成されることを示すが、しかし、他の実施形態では、上部チップ１０９がすでに位置合わせされて底部チップ１０５上に配置されているときにスルー・ホール１１９を形成できる。キャピラリ・ツール３１０がスルー・ホール１１９およびデバイス層１０７上の受け取りボンド・パッド１２７の上へ位置合わせされる（Ｓ４２０）。キャピラリ・ツール３１０およびボンド・ワイヤ１１７がスルー・ホール１１９中へ下ろされる（Ｓ４２５）。圧縮力および超音波パルスを用いて、ボンド・ワイヤ１１７の端部における溶融はんだが受け取りボンド・パッド１２７に付けられる（Ｓ４３０）。キャピラリ・ツール３１０がスルー・ホール１１９から取り去られ、圧縮および超音波パルスを用いて、ボンド・ワイヤ１１７の他端がルーティング層１１１上の対応するボンド・パッド１１５に付けられる（Ｓ４３５）。
本発明がそのいくつかの例示的な実施形態を参照して図示され、記載されたが、添付の請求項およびそれらの均等物によって定められる本発明の範囲から逸脱することなく、形態および詳細における様々な変更がそこになされてよいことが当業者によって理解されるであろう。
本発明の様々な実施形態の記載が説明のために提示されたが、これらの記載は、網羅的であることも、開示される実施形態に限定されることも意図されない。記載された実施形態の範囲から逸脱することなく、多くの修正および変更が当業者には明らかであろう。本明細書に用いられた用語法は、１つ以上の実施形態の原理、実用用途または市場に見られる技術に対する技術的改良を最もよく説明するために、あるいは本明細書に開示される実施形態を他の当業者が理解できるようにするために選ばれた。

Claims (14)

  1. 量子コンピュータ・システムであって、
    ２次元レイアウトに配列された複数の量子回路を備え、
    前記複数の量子回路は、少なくとも１つの内部量子回路を含み、前記内部量子回路は、前記２次元レイアウトの外周に沿っていない量子回路であり、
    前記複数の量子回路のうちの前記少なくとも１つの内部量子回路は、前記複数の量子回路の前記２次元レイアウトの外へ延びる信号線を含む、
    量子コンピュータ・システム。
  2. 前記少なくとも１つの内部量子回路は、複数の層を備え、前記複数の層のうちの上部層は、前記複数の層のうちの底部層へのスルー・ホールを含み、
    前記信号線は、少なくとも部分的に前記スルー・ホール内に置かれて、前記底部層を前記上部層へ接続する、
    請求項１に記載の量子コンピュータ・システム。
  3. 前記複数の層のうちの前記底部層は、デバイス層を有する底部チップを備え、前記複数の層のうちの前記上部層は、ルーティング層を有する上部チップを備え、前記信号線は、前記底部チップの前記デバイス層を前記上部チップの前記ルーティング層へ通信接続し、前記信号線は、前記２次元レイアウトの面に平行ではない、請求項２に記載の量子コンピュータ・システム。
  4. 前記スルー・ホールは、反応性イオン・エッチングによって、またはレーザ・ミリングによって形成される、請求項３に記載の量子コンピュータ・システム。
  5. 前記スルー・ホールは、１０００μｍ以下の直径を有する、請求項４に記載の量子コンピュータ・システム。
  6. 前記内部量子回路は、
    前記デバイス層上に位置する第１のボンディング・パッド、および
    前記ルーティング層上に位置する第２のボンディング・パッド
    をさらに備える、請求項３に記載の量子コンピュータ・システム。
  7. 前記信号線は、前記第１のボンディング・パッドおよび前記第２のボンディング・パッドへ接続される、請求項６に記載の量子コンピュータ・システム。
  8. 前記少なくとも１つの内部量子回路は、デバイス層およびルーティング層を含み、
    前記複数の量子回路の前記２次元レイアウトの外へ延びる前記信号線は、前記デバイス層を前記ルーティング層へ接続する、請求項１に記載の量子コンピュータ・システム。
  9. 前記ルーティング層中に形成されたスルー・ホールをさらに備え、前記信号線は、前記スルー・ホールを通過する、請求項８に記載の量子コンピュータ・システム。
  10. 前記スルー・ホールは、反応性イオン・エッチングによって、またはレーザ・ミリングによって形成される、請求項９に記載の量子コンピュータ・システム。
  11. 前記スルー・ホールは、１０００μｍ以下の直径を有する、請求項９に記載の量子コンピュータ・システム。
  12. 前記内部量子回路は、
    前記デバイス層上に位置する第１のボンディング・パッド、および
    前記ルーティング層上に位置する第２のボンディング・パッド
    をさらに備える、請求項８に記載の量子コンピュータ・システム。
  13. 前記信号線は、前記第１のボンディング・パッドおよび前記第２のボンディング・パッドへ接続される、請求項１２に記載の量子コンピュータ・システム。
  14. 複数の量子回路のうちの少なくとも１つの内部量子回路のルーティング層および上部チップ中にスルー・ホールを形成するステップであって、前記内部量子回路は、２次元レイアウトの外周に沿っていない、前記形成するステップと、
    キャピラリ・ツールを前記スルー・ホールの上へ位置合わせするステップと、
    前記キャピラリ・ツールを前記スルー・ホール中へ挿入するステップと、
    信号線の第１の端部を前記内部量子回路のデバイス層上に形成された前記スルー・ホールの底における第１のボンディング・パッドに付けるステップと、
    前記信号線の第２の端部を前記内部量子回路のルーティング層上に形成された第２のボンディング・パッドに付けるステップと
    を含む、方法。
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