TW202409912A

TW202409912A - 具有中介件之量子計算裝置、其製造方法、執行量子計算操作之方法、包含氮化鉭之量子計算裝置及其製造方法

Info

Publication number: TW202409912A
Application number: TW112104792A
Authority: TW
Inventors: 亞力山德羅布魯諾; 索菲亞弗拉爾; 馬菲斯利吉拉斯丹
Original assignee: 荷蘭商量子裝置控股公司
Priority date: 2022-02-11
Filing date: 2023-02-10
Publication date: 2024-03-01

Abstract

本發明揭示一種量子計算裝置。該量子計算裝置包含基板層及鄰接且平行於該基板層之圖案化層，使得該基板層及該圖案化層形成層堆疊。該圖案化層包含導電材料。該層堆疊形成多個量子位元。該量子計算裝置進一步包含中介件，該中介件包含機械地連接至該層堆疊之剛性連接元件，其中該連接元件係實質上平面的且安置於相對於形成該基板層之平面的非平行平面中，且其中該連接元件包含形成於該連接元件上或該連接元件中之導電元件，較佳地傳輸線，用於提供與該圖案化層之電連接。

Description

具有中介件之量子計算裝置、其製造方法、執行量子計算操作之方法、包含氮化鉭之量子計算裝置及其製造方法

本發明大體上係關於量子計算之領域。更具體地，但非排他地，本發明係關於利用中介件之量子計算裝置。此外，本發明係關於包含氮化鉭之量子計算裝置。

量子計算使用量子狀態之性質，諸如疊加、干擾及糾纏，以藉由實行量子演算法來執行計算任務。在一些量子計算架構中，在包含超導量子位元之量子處理器上執行此等量子演算法。

量子位元或量子位係一種雙態(或二階)量子機械系統，顯示量子狀態之性質之最簡單的量子系統之一者。量子位元之一般量子狀態可由其兩個正交基礎狀態之線性重疊表示：|0 及|1 。

多種超導量子位元實施存在於特定實體系統中。三種超導量子位元架構類型為相位、電荷及通量量子位元，雖然存在許多雜合。對於任何量子位元實施，基礎狀態映射至實體系統之不同狀態，通常映射至實體系統之經量化能階，或映射至其量子疊加。

存在其他量子計算架構，例如包含自旋量子位元。此等稱為自旋量子位元量子電腦。其功能係基於控制半導體器件中之電荷載子之自旋。電荷載子可為電子及電子電洞。

超導量子位元及自旋量子位元為量子計算領域內有前景的技術之實例。然而，在建構大規模量子電腦中存在許多技術挑戰。例如，實用量子電腦需要實體上可調，亦即為了達成有用計算在未來量子處理器中之量子位元的數目及品質均必須顯著地按比例增加。

使量子電腦可調之任務面臨的最基本挑戰係量子位元之脆弱性。為了成功地實行計算，所有量子位元必須保持在量子相干狀態下。量子相干性係指量子狀態面向相互作用及熱化之效應維持其糾纏及疊加之能力。量子系統中之任何環境干擾通常產生所謂的去相干，亦即量子相干性之損失。去相干係不可逆的且導致資訊之損失，因為量子位元「崩陷」或落在疊加之狀態之外，因此導致想要的量子狀態之損失。此等環境干擾被稱為雜訊，包括振動、放射、電磁波或溫度中的最輕微變化。

按比例增加量子處理器中之量子位元的數目的一個相當大瓶頸起因於與當前二維量子處理器架構相關聯之空間問題。

第一，側向焊線在晶片邊緣處引起空間之不足，因為晶片邊緣線性地縮放而用於晶片元件之置放的面積則二次地縮放。因此，隨著更多量子位元被實施於量子處理器中，晶片元件佔據之表面面積比晶片之周邊增加得更快，從而導致晶片之邊緣處無足夠空間來容納至所有量子位元之焊線的情形。

第二，將波導繞線至晶片之邊緣的必要性導致晶片上繞線問題，因為晶片元件二次地增加。

第三，電線及其他組件之上行鏈扇出亦產生空間問題。

上文所提及瓶頸中之前兩者的部分解決方案以先前技術文件EP 3 427 310 B1表示，允許各互連件緊鄰相對量子位元而置放，而不需要繞線至晶片之邊緣且允許可重複且可拼貼佈局。此解決方案單獨並不足以作為以可調式方式持續波導而不引發扇出問題的合適技術。

在用於超導量子位元之特定設計選擇的一例示性情況下平均每量子位元約2.5個傳輸線為必要的，因為各量子位元需要存取微波驅動、通量偏壓及輸入/輸出饋入線。輸入/輸出饋入線可能在量子位元之間共用。傳輸線通常被繞線至晶片之邊緣，其中訊號持續至經由焊線置放於印刷電路板上之連接器。在少量量子位元之情況下，此仍為可行的選項。然而，當按比例擴大晶片上之量子位元的數目時，此在邊緣處產生連接器尺寸引起之空間問題及晶片上繞線難題。

在自旋量子位元之情況下，需要大量複數個低頻閘極。由於為了按比例擴大晶片上自旋量子位元之數目，因此空間問題甚至比超導量子位元更緊迫。

產生具有高量子位元數之量子處理器的第二個瓶頸係由以下事實引起：所有量子位元在特定晶片上工作的機率(換言之，晶片良率)隨量子位元之數目以指數方式減小。

建構實用量子電腦中之另一技術挑戰在於，為了達成有用量子計算，量子位元需要具有重要品質以便避免誤差。高品質量子位元之一個量度為較長去相干時間，亦即量子位元失去其量子相干狀態所需的時間。耗時任務(長於需要執行任務之量子位元的去相干時間)可能難以使用某些量子演算法來執行，因為維持量子位元之疊加狀態足夠長的持續時間將最終導致彼等量子位元因去相干而塌陷。出於此原因，增加去相干時間之方式當前為研究之主要主題。

為了解決上文所論述之先前技術的缺點，提出根據本發明之第一態樣的量子計算裝置。該量子計算裝置包含基板層；及鄰接且平行於基板層之圖案化層，使得基板層及圖案化層形成層堆疊，其中圖案化層包含導電材料且形成量子計算電路組件之至少部分；及中介件，其包含實質上剛性連接元件及導電元件，連接元件機械地連接至層堆疊且安置於非平行平面中，亦即安置於不平行於形成基板層之平面的平面中，導電元件形成於連接元件上或中用於提供與圖案化層之電連接。實質上剛性連接元件較佳地安置於一個平面中，該平面實質上正交於形成層堆疊之基板層之平面。導電元件較佳地為形成於連接元件上或中之傳輸線。量子計算裝置較佳地包含複數個計算電路組件及複數個中介件，該複數個中介件包含複數個連接元件。

在一個實施例中，連接元件為實質上平面的，較佳地其中連接元件具有實質上矩形或正方形形狀。

在一個實施例中，中介件電連接至圖案化層，其中以電流方式、以電感方式及/或以電容方式在連接元件與圖案化層之間進行電連接。

在一個實施例中，基板層由以下製成或包括以下：藍寶石、矽、BeO、AlN、石英及/或其他介電材料，及/或其中圖案化層由超導材料，諸如Al、Nb、NbN、NbTiN、鉭，或較佳地氮化鉭，或此等材料之組合製成或包括此等超導材料。

在一個實施例中，圖案化層至少部分藉由原子層沈積、蒸發、分子束磊晶術及/或濺鍍形成。

在一個實施例中，連接元件至少部分由用於基板層之相同材料製成，且完整中介件亦可至少部分由此材料製成。

在一個實施例中，量子計算電路組件包含量子位元、光子量子電路及/或與量子位元或光子量子電路相關聯之晶片元件，較佳地電子控制器、讀出電路、放大器、濾波器及/或轉換器。量子位元較佳地包含超導量子位元、自旋量子位元、捕獲離子量子位元或中性原子量子位元。量子計算電路組件可包含複數個量子位元、光子量子電路及關聯晶片元件。

在一個實施例中，連接元件進一步包含功能元件，功能元件為電路組件，其接收來自量子計算電路組件之輸入及/或將輸出發送至量子計算電路組件，較佳地其中功能元件包含低通濾波器、衰減器、DC區塊、IR濾波器、定向耦合器、循環器及/或放大器。

在一個實施例中，連接元件具有以下功能中之至少一者：微波驅動、通量偏壓、饋入線輸入/輸出、用於放大器或循環器之泵、參數放大器、循環器、定向耦合器或佈線。

在一個實施例中，將輸入及/或輸出繞線至量子計算電路組件及/或自量子計算電路組件繞線輸入及/或輸出至少部分地經由連接元件完成。

在一個實施例中，中介件直接連接至圖案化層，或其中中介件間接連接至圖案化層，較佳地經由通孔。

在一個實施例中，連接元件及層堆疊各自具有連接表面，連接表面具有連接型材用於將連接元件機械地及/或電耦接至層堆疊，較佳地其中層堆疊之連接表面為層堆疊之最外層，更佳地其中層堆疊之連接表面為圖案化層，較佳地其中連接型材包含耦接結構，較佳地凹口、突出部、耦接接腳；較佳地其中耦接結構自對準。

在一個實施例中，形成於連接表面上之連接型材經由微影製程、深反應性蝕刻及/或光剝蝕產生。

在一個實施例中，量子計算裝置進一步包含可連接電路組件，其中連接元件係層堆疊，較佳地量子計算電路組件與可連接電路組件之間的中間鏈路；較佳地其中可連接電路組件包含連接器化電路，更佳地印刷電路板或波導之陣列。

在一個實施例中，可連接電路組件包含第二層堆疊，第二層堆疊由至少第二基板層及鄰接且平行於第二基板層之第二圖案化層形成，其中第二圖案化層形成至少一個第二量子計算電路組件。

在一個實施例中，第二層堆疊實質上平行於層堆疊且與連接元件成一角度，較佳地實質上正交，較佳地其中第二層堆疊安置於與層堆疊實質上相同之平面中且其中層堆疊及第二層堆疊經由中介件中之佈線而電連接；或其中第二層堆疊安置於與層堆疊所安置之平面不同的平面中，連接元件自層堆疊所安置之平面達至第二層堆疊所安置之平面。

在一個實施例中，可連接電路組件包含，較佳地其中第二量子計算電路包含量子位元及/或其他晶片元件，較佳地電子控制器、讀出電路或轉換器。

在一個實施例中，中介件包含連接元件之陣列，連接元件實質上彼此平行且與層堆疊呈一角度，較佳地實質上正交，且其中陣列中之各連接元件連接至圖案化層，較佳地其中連接元件以與水平面上之量子位元之間距相關的特定間距隔開。

在一個實施例中，層堆疊包含多個圖案化層，各圖案化層包含量子計算電路組件。

在一個實施例中，層堆疊中之層及/或連接元件中之層經由穿透矽通孔連接，較佳地其中層堆疊及/或連接元件包含通孔及/或盲孔。

在一個實施例中，在中介件機械地連接至層堆疊之情況下，第二中介件在層堆疊的相對末端處機械連接至層堆疊，較佳地其中圖案化層之輸入饋入線經由中介件提供，且圖案化層之輸出饋入線經由第二中介件提供。

在一個實施例中，多個中介件機械地及電連接至層堆疊之連接表面，及/或其中多個層堆疊與中介件交替。

根據本發明之第二態樣，揭示使用根據本發明之第一態樣之量子計算裝置執行量子計算操作的方法。

根據本發明之第三態樣，揭示製造量子計算裝置之方法。該方法包含提供基板；在基板層之頂部上且平行於基板層沈積圖案化層使得基板層及圖案化層形成層堆疊，其中圖案化層包含導電材料且形成一個量子計算電路組件之至少部分；將包含於中介件中之剛性連接元件機械地連接至層堆疊，安置於相對於形成基板層之平面的非平行平面中，較佳地實質上正交；在連接元件上或在連接元件中形成導電元件，較佳地傳輸線，用於提供與圖案化層之電連接；及將導電元件電耦接至圖案化層。

根據本發明之第四態樣，揭示量子計算裝置。該量子計算裝置包含基板層；圖案化層，其鄰接且平行於基板層使得基板層及圖案化層形成層堆疊，其中圖案化層包含導電材料且形成至少一個量子計算電路組件；其中導電材料包含氮化鉭。

在一個實施例中，基板層由藍寶石、矽、BeO、AlN、石英及/或任何其他介電材料製成；及/或其中量子計算電路組件包含量子位元，較佳地超導量子位元或自旋量子位元。

根據本發明之第五態樣，揭示製造量子計算裝置之方法。該方法包含提供基板層；使用原子層沈積及/或濺鍍氮化鉭之情況下在基板層之頂部上沈積圖案化層，使得圖案化層包含氮化鉭且形成至少一個量子計算電路組件，較佳地量子位元，更佳地超導量子位元或自旋量子位元；其中較佳地基板層由藍寶石、矽、BeO、AlN、石英及/或任何其他介電材料製成。

根據本發明之第六態樣，揭示量子計算裝置。該量子計算裝置包含基板層及鄰接且平行於基板層之圖案化層使得基板層及圖案化層形成層堆疊。圖案化層可包含導電材料且層堆疊可形成多個量子位元。

該量子計算裝置進一步包含中介件，該中介件包含機械地連接至層堆疊之連接元件，其中連接元件可實質上平面的且安置於相對於形成該基板層之平面的非平行平面中。連接元件可包含在該連接元件上或在該連接元件中形成之導電元件，較佳地傳輸線，用於提供與圖案化層之電連接。連接元件可為剛性的。

在一個實施例中，連接元件可具有實質上矩形或正方形形狀。

在一個實施例中，中介件以電流方式、以電感方式或以電容方式電連接至圖案化層。

在一個實施例中，基板層由藍寶石、矽、BeO、AlN、石英及/或任何其他介電材料製成，及/或其中圖案化層由超導材料，諸如Al、Nb、NbN、NbTiN、鉭，較佳氮化鉭製成。

在一個實施例中，圖案化層藉由原子層沈積、蒸發、分子束磊晶術及/或濺鍍形成。

在一個實施例中，中介件，較佳地連接元件由與用於基板層之材料相同的材料製成。

在一個實施例中，連接元件包含連接基板層，或連接基板層及鄰接且平行於連接基板層之連接圖案化層，其中連接圖案化層包含導電材料。

連接基板層可由藍寶石、矽、BeO、AlN、石英及/或任何其他介電材料製成。連接圖案化層可由超導材料，諸如Al、Nb、NbN、NbTiN、鉭，較佳地鉭製成。連接圖案化層可塗佈有導電層。

在一個實施例中，量子位元可包含超導量子位元、自旋量子位元、捕獲離子或中性原子。另外地或可替代地，圖案化層可進一步形成量子計算電路，其中量子計算電路包含光子量子電路及/或另一晶片元件，較佳地電子控制器、讀出電路、放大器、濾波器及/或轉換器。

在一個實施例中，連接元件可進一步包含功能元件，功能元件為自量子位元獲得輸入及/或將輸出發送至量子位元之電路組件及/或其中功能元件調節來自量子計算電路組件之輸入/輸出訊號，較佳地其中功能元件包含低通濾波器、衰減器、DC區塊、IR濾波器、定向耦合器、佈線、循環器及/或放大器。

在一個實施例中，連接圖案化層可形成功能元件。

連接元件具有以下功能中之至少一者：微波驅動、通量偏壓、饋入線輸入/輸出、用於放大器或循環器之泵、參數放大器、循環器、定向耦合器或佈線。

在一個實施例中，繞線至量子位元及/或自量子位元繞線至少部分地經由連接元件完成。

在一個實施例中，形成於連接表面上之連接型材經由微影、深反應性蝕刻及/或光剝蝕產生。

在一個實施例中，量子計算裝置進一步包含可連接電路組件，其中連接元件係層堆疊，較佳地量子位元與可連接電路組件之間的中間鏈路；較佳地其中可連接電路組件包含連接器化電路，更佳地印刷電路板或波導之陣列。

在一個實施例中，可連接電路組件包含第二層堆疊，第二層堆疊由至少第二基板層及鄰接且平行於第二基板層之第二圖案化層形成，其中第二圖案化層形成至少一個量子計算電路組件。

在一個實施例中，第二層堆疊實質上平行於層堆疊且與連接元件成一角度，較佳地實質上正交。較佳地，第二層堆疊安置在與層堆疊實質上相同之平面中。層堆疊及第二層堆疊可經由中介件中之佈線而電連接。第二層堆疊亦可安置於與層堆疊所安置之平面不同的平面中，且連接元件自層堆疊所安置之平面達至第二層堆疊所安置之平面。

在一個實施例中，中介件包含連接元件之陣列，連接元件實質上彼此平行且與層堆疊成一角度，較佳地實質上正交，且其中陣列之各連接元件連接至圖案化層，較佳地其中連接元件以與水平面上之量子位元之間距相關的特定間距隔開。

在一個實施例中，中介件包含至少一個間隔件元件。較佳地連接元件藉由至少一個間隔件元件對準。間隔件元件可機械地連接至連接元件及/或層堆疊，較佳地經由一穿透矽通孔。至少一個間隔件元件可安置於相對於層堆疊之基板平面之非平行平面，較佳地相對於層堆疊之基板平面之實質上正交平面中，更佳地其中間隔件元件安置於平行於一或多個連接元件之平面中。較佳地中介件包含多個間隔件，更佳地多個間隔件可與連接元件交替，未必一對一地交替。

在一個實施例中，至少一個間隔件包含間隔件基板層，或間隔件基板層及鄰接且平行於間隔件基板層之間隔件圖案化層，其中間隔件圖案化層包含導電材料。間隔件基板層可由藍寶石、矽、BeO、AlN、石英及/或任何其他介電材料製成。較佳地間隔件圖案化層由超導材料，諸如Al、Nb、NbN、NbTiN、鉭，較佳地氮化鉭製成。間隔件圖案化層可進一步塗佈有導電層。

在一個實施例中，至少一個間隔件包含功能間隔件元件。較佳地功能間隔件元件包含屏蔽件及/或至少一個間隔件可包含具有例如PCB之可連接電路組件的波導。

在一個實施例中，層堆疊包含沈積於一或多個基板層上之多個圖案化層，各圖案化層包含量子電路組件，較佳地量子位元。

在一個實施例中，層堆疊中之層及/或連接元件中之層經由穿透矽通孔連接。較佳地層堆疊及/或連接元件包含通孔及/或盲孔。

在一個實施例中，在中介件機械地連接至層堆疊之情況下，第二中介件在層堆疊的相對末端處機械連接至層堆疊。較佳地經由中介件提供圖案化層之輸入饋入線，及/或經由第二中介件提供圖案化層之輸出饋入線。

在一個實施例中，多個中介件機械地及電連接至層堆疊之連接表面，及/或多個層堆疊與中介件交替。

在第七態樣中，揭示使用根據本發明之第六態樣之量子計算裝置執行根據第六態樣之量子計算操作的方法。

在第八態樣中，揭示製造量子計算裝置之方法。該方法包含提供基板；在基板層之頂部上且平行於基板層沈積圖案化層使得基板層及圖案化層形成層堆疊，其中圖案化層包含導電材料且其中層堆疊形成多個量子位元；將包含於中介件中之連接元件機械地連接至層堆疊，安置於相對於形成基板層之平面的非平行平面中，較佳地實質上正交；在連接元件上或在連接元件中形成導電元件，較佳地傳輸線，用於提供與圖案化層之電連接；及將導電元件電耦接至圖案化層。連接元件可為剛性的及/或實質上平面的。

在下文中，將進一步詳細地描述某些實施例。然而，應瞭解，此等實施例不可視為限制對本發明之保護的範圍。

圖1示意性地示出根據一個實施例之包含層堆疊14及安置於其上之中介件16的量子計算裝置10之一部分。

層堆疊14可包含一或多個基板層11及一或多個圖案化層12，其中圖案化層12之各者包含導電材料，且其中圖案化層12及/或層堆疊14之各者形成至少一個量子計算電路組件(之一部分)，較佳地一或多個量子位元。堆疊之個別量子位元平面之傳輸線可經由可能含有量子位元之(垂直地)鄰接水平面中之訊號通孔連接。替代量子位元，可以此方式連接其他量子計算電路組件。

一或多個基板層11可例如由藍寶石、矽、BeO、AlN、石英及/或任何其他介電材料製成。基板層11之各者的厚度及/或材料可不同。一或多個圖案化層12可由超導材料，諸如Al、Nb、NbN、NbTiN、鉭，較佳地氮化鉭製成。圖案化層藉由原子層沈積、蒸發、分子束磊晶術及/或濺鍍形成。層堆疊間隔元件亦可存在於其中形成量子計算電路組件之層堆疊之不同層之間。鄰接層可直接鄰接，或不同層可處於彼此中間。

量子計算電路組件可為量子位元、較佳地超導量子位元、自旋量子位元、捕獲離子或中性原子；光子量子計算電路；及/或另一晶片元件，較佳地電子控制器、放大器、濾波器或轉換器。晶片元件可用於控制量子計算裝置10之量子位元的功能性。

層堆疊14之多個層形成於彼此之頂部上從而係實質上平行的。量子計算裝置10，例如量子處理器之層堆疊14可因此例如包含由2D (或3D空腔)基板層11及含有量子位元之一或多個鄰接圖案化層12組成之一或多個量子位元平面，可能在基板平面與圖案化層之間具有一或多個額外層。

雖然層堆疊14可包含基板層11及一或多個鄰接圖案化層12，但層堆疊亦可包含多個基板層。例如，層堆疊14可包含多個水平晶片層，其可能或可能不以操作方式彼此連接。水平晶片層不必在沿晶片層的每一位置處直接彼此接觸，而是可間隔開。

包含一或多個連接元件15之中介件16可機械地連接至層堆疊14。中介件16提供自形成於圖案化層12之一或多者上的一或多個量子計算電路組件，較佳地量子位元至量子計算裝置之不同部分的電連接。中介件可以各種方式，例如以電流方式、以電感方式及/或以電容方式電連接至層堆疊14 (且較佳地形成於其中之一或多個圖案化層12)。

一或多個連接元件15可安置於實質上正交於形成層堆疊14 (包含量子計算電路組件，較佳地量子位元)之基板層所在之平面的平面中。一般地，一或多個連接元件15可安置於非平行於形成基板層之平面的平面中。導電元件可形成於連接元件，較佳地傳輸線上或其中，用於提供至圖案化層12之一或多者的電連接。連接元件因此經置放以提供至形成於圖案化層12之一或多者上的一或多個量子計算電路組件，較佳地量子位元之電連接。此電連接可直接地或間接地完成，例如藉由在面向連接元件之層堆疊的外層上形成量子計算電路組件及直接在層堆疊之外層上形成電連接，或藉由在層堆疊之另一層中形成量子計算電路組件及經由通孔電連接。連接元件可實質上平行於彼此而形成，因此形成陣列。

連接元件15可由一或多個基板層及形成於其上之一或多個圖案化層形成。連接元件15在中介件16內可彼此不同。連接元件15之厚度可為例如200 µm至1 mm。連接元件15可包含不同種類之通孔，例如連接連接元件15內之不同圖案化層。

若量子計算電路組件，較佳地量子位元形成於層堆疊中之陣列中，則連接元件之寬度可至少等於量子計算電路組件陣列之列的寬度。以此方式，單一連接元件可電連接至特定列中之所有量子計算電路組件。量子計算電路組件陣列之列的數目可等於連接元件的數目。以此方式，各列之量子計算電路組件陣列可連接至對應連接元件。亦有可能例如兩個或更多個連接元件連接至特定列中之量子計算電路組件或例如兩個或更多個列連接至單一連接元件。

連接元件15可為剛性的且由於形成連接元件15之方式而不易於彎曲。各連接元件可包含連接基板層，或連接基板層及鄰接且平行於連接基板層之連接圖案化層，其中連接圖案化層包含導電材料。較佳地，連接基板層由藍寶石、矽、BeO、AlN、石英及/或任何其他介電材料製成。連接圖案化層較佳地由超導材料，諸如Al、Nb、NbN、NbTiN、鉭，更佳地氮化鉭製成。

連接元件可為實質上平面的，例如連接元件可具有實質上矩形或正方形形狀。其他形狀亦為可能的，例如連接元件可在層堆疊14上具有弧形部分之接腳。連接元件亦可沿著其長度為弧形的。若多個連接元件置放於層堆疊14上，則並非所有連接元件需要彼此平行地置放在層堆疊14上，但其可例如處於彼此相交之平面中。

層堆疊14之最外層13可充當與中介件16之連接元件15之一或多者的連接表面，具有用於將中介件16之連接元件15機械地且電耦接至層堆疊之連接型材。較佳地層堆疊14之最外層13為圖案化層12。

較佳地，一或多個連接元件15可由與層堆疊中之基板層之材料相同的材料製成。此情形之益處將為處理器之層堆疊14及連接元件15具有類似熱收縮。

連接元件15間隔開以便形成陣列。由於每一量子計算電路組件具有例如連接至其之傳輸線，因此將連接元件15在連接表面上分開使得有可能引導傳輸線例如經由連接元件15垂直而非經由層堆疊14水平離開。

為了將中介件16之連接元件15間隔開，中介件16可進一步包含一或多個間隔件元件。以此方式，形成中介件16之連接元件之陣列的連接元件可藉由至少一個間隔件元件對準。例如，可在形成連接元件之陣列的連接元件15之各對之間置放一個間隔件元件，亦即間隔件元件及連接元件可一個接一個地交替置放。亦可能在兩個後續間隔件元件之間形成多個連接元件或在兩個後續連接元件之間形成多個間隔件元件。

各間隔件元件可形成為實質上平面結構，具有實質上正方形或矩形形狀。特別地，各間隔件元件可具有與如上文所說明之連接元件實質上相同的寬度及高度，但連接元件亦可比間隔件元件具有例如更高的高度。各間隔件元件之平面結構可形成於相對於層堆疊14之頂表面的非垂直平面中，較佳地垂直於層堆疊14之頂表面。此外，各間隔件元件可平行於陣列中之連接元件15而形成。

圖12示意性地描繪具有安置於層堆疊121上之中介件的量子計算裝置120，層堆疊包含量子計算電路組件，較佳地量子位元，其中中介件包含連接元件121及間隔件元件122。連接元件121可具有比間隔件元件122更大的高度，因此連接元件121可例如連接至另一接線板，諸如PCB或撓性電纜。連接元件121亦可具有與間隔件元件122類似的高度或更小的高度。連接元件及間隔件元件可具有不同高度。間隔件元件可交替垂直連接元件，未必一對一交替，一個間隔件元件可在一個堆疊中具有多種尺寸及數目。間隔件元件及連接元件膠合及/或焊接於彼此之頂部上，使得間隔件元件中之凹口覆蓋可形成於連接元件中且因此屏蔽訊號之傳輸線，例如共面波導。間隔件可包括特定連接型材，具有例如指形結構，以與其中例如形成量子位元之層堆疊的基板層之接地形成一個接地。

間隔件元件可實質上為剛性的且經由例如膠或焊接而機械連接至連接元件及/或層堆疊。較佳地經由通孔進行電連接。間隔件可與其中例如形成量子位元之層堆疊的接地電連接。

各間隔件元件可包含間隔件基板層。此外，各間隔件元件可包含鄰接且平行於間隔件基板層的間隔件圖案化層。間隔件圖案化層可包含導電材料。

較佳地間隔件基板層由以下製成或包含以下：藍寶石、矽、BeO、AlN、石英及/或任何其他介電材料。較佳地間隔件圖案化層由超導材料，諸如Al、Nb、NbN、NbTiN、鉭，較佳地氮化鉭製成或包含此類超導材料。在中介件中之連接元件及/或間隔件元件的超導層上，有可能形成導電層。較佳地，各間隔件元件包含與該中介件之連接元件相同的材料。

間隔件元件不需要與形成於層堆疊中之量子位元呈功能性接觸。間隔件之基板層亦可藉由雷射圖案化。

包含於中介件16中之間隔件元件的尺寸可為相同的，例如所有間隔件元件之寬度可為相同的使得連接元件在整個陣列中相等地間隔開。包含於中介件16中之間隔件元件的尺寸變化亦為可能的。例如，置放於第一對之連接元件之間的第一間隔件元件之寬度可不同於形成於中介件16之第二對之連接元件之間的第二間隔件元件之寬度。

各間隔件元件可因此確保連接元件15間隔開正確距離及/或可向連接元件15及中介件16提供結構穩定性。

間隔件元件可包含功能間隔件元件。功能間隔件元件為例如屏蔽件。此外，傳輸線例如，波導可形成於間隔件元件中。功能間隔件元件形成於間隔件元件內或間隔件元件上。

屏蔽件可屏蔽中介件之鄰接連接元件上的傳輸線。屏蔽件可形成於間隔件元件之圖案化層內且因此可由超導材料形成，視情況具有導電塗層。

波導可為用於較高頻率之傳輸的波導，例如具有介於1毫米與100微米之間的波長之亞毫米波，亦稱為兆赫輻射，亦即介於微波與遠紅外線之間的電磁輻射。波導之精確頻率藉由凹口之尺寸確定。

圖13A及13B分別顯示連接在垂直連接元件131之頂部上的間隔件130或連接在另一間隔件140B之頂部上的間隔件140A。圖13A中之組態在傳輸線134之一者中放大且適合於具有按GHz次序之頻率的傳動裝置。訊號在由間隔件130中之陰影化/圖案化凹部所形成之緩存或間隙或真空132中捕獲，由超導及傳導材料覆蓋，藉此防止訊號「跳躍」至其他傳輸線。參考標號133指代傳輸線與接地(如共面波導)之間的間隙。雖然在此圖中展示共面波導，但其他波導亦係可能的。圖13B顯示形成適合於按THz之次序之頻率傳輸的波導的兩個間隔件元件140A、140B。訊號再次由間隙/真空141中之電緩存捕獲。

在此間隔件設計之情況下，中介件因此適合於更寬頻率範圍之讀數。

間隔件及連接元件可膠合及/或焊接於彼此之頂部上使得凹口覆蓋位於圖案化層中之連接元件上的共面波導且屏蔽訊號。

間隔件元件可具有與圖14中所示之相同連接結構/型材，且可與形成量子位元之層堆疊的接地電接觸。間隔件元件可包括指形件以與基板層之接地形成一個接地。

由於中介件16，特別地連接元件15可更易於製得比通常用於層堆疊14之高度更長，所以在線功能元件之整合中具有更多自由度。

中介件可因此包含多個連接元件，該等連接元件經組態為沿著層堆疊中之例如量子位元或其他量子電路組件之陣列形成的陣列。連接元件提供通向及/或來自量子位元或其他量子電路組件之電連接。由於連接元件可為實質上平面結構，因此其易於製造且可根據特定列之量子位元或其他量子電路組件之需要個別化。此外，連接元件之間的空間可更易於由例如具有特定設計的間隔件元件利用，以便例如屏蔽可能存在於(個別化)連接元件中的傳輸線。

量子計算裝置可進一步包含以下之一或多者：控制硬體，較佳地晶片上控制元件、飽和電抗器、放大器、濾波器、循環器、佈線及稀釋致冷器。

圖2示意性地示出根據一個實施例之包含層堆疊21與中介件23之量子計算裝置20的一部分之透視圖，該中介件包含安置於其上之連接元件22的陣列。

在連接元件22中及/或連接元件22上，可圖案化導電元件。例如，一或多個傳輸線24可形成於連接元件22中及/或連接元件上。傳輸線24提供與層堆疊之電連接，尤其是傳輸線24可提供與層堆疊中之圖案化層的電連接。

傳輸線24可為例如由導電材料製成之圖案化帶。例如，若量子計算電路組件或量子計算裝置有此需要，則可使用普通導體或超導體。例示性材料為銦、鋁、金及錫，其可沈積於基板之表面上。此材料之形成可經由蒸發、電鍍及/或濺鍍完成。圖案化可藉由使用圖案化技術諸如濕式蝕刻、乾式蝕刻、剝離、雷射寫入、碾磨及/或網版印刷完成。

圖3示意性地示出根據一個實施例之一或多個量子計算電路組件32可如何電連接至量子計算裝置30之一部分中的連接元件37之透視圖。

計算電路組件32作為實例示出為超導量子位元之示意性表示，其具有帶傳輸線33，例如饋入線之量子位元34。在超導量子位元情況下，平均每量子位元約2.5個傳輸線為必要的，因為各量子位元需要存取例如微波驅動、通量偏壓及輸入/輸出饋入線。一或多個量子計算電路組件，例如量子位元可形成於在組件之間具有相等間距之二維陣列中，或在不同組件之間的間距可不同。量子計算電路組件在圖中示為層堆疊31之頂部上的層，然而，此等組件可形成於層堆疊31中之任何位置上及層堆疊31內之各層上或中。例如，並非所有組件皆需要形成於層堆疊31之同一圖案化層內，但其可形成於層堆疊31之不同圖案化層中或上。層堆疊31中之層可經由穿透矽通孔彼此連接。

中介件含有連接元件37之陣列，該等連接元件各自可具有其自身功能(例如微波驅動、通量偏壓及/或輸入/輸出饋入線)使得有可能在量子位元平面上方而非緊鄰量子位元平面具有傳輸線連接器。其進一步有助於減少晶片上繞線程度。

在自旋量子位元之情況下，需要大量複數個低頻閘極。在此情況下，每量子位元之大部分量之閘極係靜電閘極。根據本實施例之中介件藉由將此等靜電閘極之傳輸線併入中介件之連接元件37中來促進按比例擴大晶片上之自旋量子位元之數目。

因此，一般地，藉由使用具有連接元件之中介件來連接量子計算電路組件，例如量子位元，可解決由例如較大量子位元數目而引發之挑戰，諸如傳輸線之晶片上繞線困難及由於至印刷電路板之焊線而在水平量子位元平面之邊緣處的空間問題。垂直中介件亦限制波導之上行鏈扇出。此係由於可能將大尺寸功能元件併入垂直中介件之垂直元件中。

例如，佈線接腳35A，亦即特定層中的由量子位元及用於此量子位元之相關佈線所佔據的面積，可至少部分地限於介於佈線接腳35A與其在平行於層堆疊31之平面中的投影35B之間的三維體積。

中介件內之連接元件37可例如具有以下功能之一者：微波驅動(M)、通量偏壓(F)、饋入線輸入/輸出(I/O)、用於放大器或循環器之泵、參數放大器、循環器、定向耦合器或佈線。亦有可能合併垂直中介件之一個垂直元件內的多個功能。

圖4示意性地示出根據一個實施例之包含連接元件46之量子計算裝置40的一部分，連接元件包含一或多個功能元件42A至42D。

功能元件42A至42D為自層堆疊41內之量子計算電路組件獲得輸入及/或將輸出發送至該量子計算電路組件的電路組件。換言之，功能元件為形成於量子計算裝置中之電路組件以便修正來自量子計算電路組件，較佳地量子位元之輸入/輸出訊號。功能元件42A至42D可包含例如低通濾波器、衰減器、DC區塊、IR濾波器、定向耦合器、循環器及/或放大器。

傳輸線43A、傳輸線45A可將功能元件42B、功能元件42D連接至層堆疊41。另一傳輸線43B、另一傳輸線45C隨後經由與連接至層堆疊41之介面相對的連接元件46之介面將功能元件42B、功能元件42C連接至量子計算裝置40之不同部分。傳輸線45B亦可電連接連接元件46內之不同功能元件42C、42D。

這使得有可能在量子位元平面上方而非緊鄰量子位元平面具有此等功能元件。此外，這有助於減少量子位元平面內之繞線程度。

垂直中介件因此亦可限制量子位元平面內之量子位元之波導的上行鏈扇出。此係由於可能將大尺寸功能元件併入垂直中介件之垂直元件中。此外，由於3D塑形各垂直元件形成複雜形狀且將超導膜圖案化於其上之能力，垂直中介件亦將起到若干微波衛生功能，諸如次分段較大空腔體積為較小空腔體積(將寄生波膜推向較高頻率)及在多個水平元件之間均衡接地。

圖5示意性地示出根據一個實施例之包含層堆疊51與中介件之量子計算裝置50之一部分的透視圖，該中介件包含具有安置於其上之一或多個功能元件54之連接元件53之陣列。

在中介件中之連接元件53之陣列內，在各垂直元件之間存在明確界定之間隔(亦被稱作間距)，這與包含於層堆疊51上或層堆疊中之量子計算電路組件，例如量子位元52之間隔有關。例如，可在層堆疊51之圖案化層中觀測到1 mm之量子位元之間的間隔，且隨後可例如在各量子計算電路組件之特定位置處形成垂直元件53以便在彼位置處形成機械及/或電連接。如之前所提及，之間可置放中介件間隔件元件中之陣列的連接元件53。

同樣，功能元件54及傳輸線55可形成於中介件之連接元件53之一或多者中，且中介件內之連接元件53就其建構及/或功能性而言可不同。

圖6示意性地示出量子計算裝置60之一部分的透視圖，該量子計算裝置包含兩個層堆疊61A至61B與形成於其間之中介件。

傳輸線可連接至垂直中介件之介面，該介面與連接至可能含有量子位元的水平面之介面相對，以繼續向量子電腦之其他組件的訊號路徑。在本實施例中，中介件置放於可能含有量子位元的兩個層堆疊61A至61B或諸如電子控制器或轉換器之其他晶片元件之間。就層之量、基板層之數目及包含於其中之材料、圖案化層之數目及包含於其中之材料而言，層堆疊61A至61B可相同或不同。層堆疊61A至61B各自具有連接表面62A、連接表面62B，連接表面為面向相對層堆疊61B、層堆疊61A之層堆疊61A、層堆疊61B之最外層。

以此方式，不同層堆疊61A、61B中之量子計算電路組件63A、63B可經由一或多個連接元件64，經由例如傳輸線65及/或功能元件(圖中未示)彼此電連接。

代替第二層堆疊，中介件亦可將層堆疊61A連接至另一可連接電路組件，其中連接元件為層堆疊61A，較佳地量子計算電路組件63A與可連接電路組件之間的中間鏈路。

例如，可連接電路組件可包含連接器化電路，較佳地印刷電路板。可連接電路組件可包含其他晶片元件，例如電子控制器、(撓性)電纜及/或轉換器。

如所提及，可連接電路組件可包含第二基板層及鄰接且平行於第二基板層之第二圖案化層使得第二基板層及第二圖案化層形成第二層堆疊61B，其中第二圖案化層形成至少一個第二量子計算電路組件63B。第二層堆疊61B可實質上平行於層堆疊61A且與連接元件64成角度，較佳地實質上正交。

第二層堆疊61B可安置於與層堆疊61A所安置之平面不同的平面中，連接元件自層堆疊61A所安置之平面達至第二層堆疊61B所安置之平面。

以此方式併入中介件可促進若干新穎量子處理器單元(QPU)架構。一個此類選項因此為堆疊式平面架構。在此可能含有諸如量子位元之量子計算電路組件或其他晶片元件之若干水平面，例如層堆疊61A、層堆疊61B，可與一或若干個中介件組合使用。此類型之QPU架構促進藉由三維擴展而非僅二維擴展按比例放大QPU中之量子位元數目。因此，這允許相同面積接腳中之量子位元的數目增加。

採用堆疊式架構的量子計算裝置，諸如量子處理器的一個可能性可為將含有訊號通孔之若干量子位元平面安裝於彼此的頂部上。隨後可將非平行，較佳地正交於堆疊中之最外部平面的中介件連接至堆疊中之最外部平面之一或兩者的介面。隨後可將個別量子位元平面之傳輸線經由可能含有量子位元之鄰接水平面中的訊號通孔連接至在堆疊之底部及/或頂部處之垂直中介件。替代量子位元，可以此方式連接其他量子計算電路組件。

圖7示意性地示出根據一個實施例之包含層堆疊74與在層堆疊74之任一側安置於其上之兩個中介件76A、76B之量子計算裝置70的一部分。

層堆疊74可包含一或多個基板層71及一或多個圖案化層72，其中圖案化層72之各者可包含導電材料且可形成至少一個量子計算電路組件。

層堆疊74之多層形成於彼此之頂部上以便實質上平行。包含一或多個連接元件75A、75B之中介件76A、中介件76B可在堆疊之頂部表面73A及底部表面73B處機械地連接至層堆疊74。中介件76A、中介件76B不必相同。連接元件75A、連接元件75B之數目，及連接元件75A、連接元件75B之建構及功能性可變化。

將中介件76A、中介件76B連接於堆疊之底部及頂部處有助於連接量子計算電路組件(例如量子位元)之有益方式，諸如例如在堆疊之一個末端上具有所有輸入饋入線及在另一末端處具有所有輸出饋入線。因此，在第一中介件76A機械地連接至層堆疊之情況下，第二中介件76B可在層堆疊的相對端處機械地連接至層堆疊。可因此例如經由第一中介件76A提供層堆疊74中之圖案化層的輸入饋入線，且可例如經由第二中介件76B提供圖案化層74之輸出饋入線。

使用堆疊式架構之另一可能方式係使用堆疊，其中垂直中介件與可能含有量子位元之一或多個平面交替。因此，例如多各層堆疊可與中介件交替。吾人可由此創建量子計算電路組件之3D晶格，例如量子位元之3D晶格。

藉由以此方式經由中介件將含有量子位元之兩個平面連接在一起，由此產生3D晶格，互連程度可自當前2D量子位元平面排佈中增加。此特徵有益於多個可能的應用。其為某些量子演算法提供更多計算能力。另一可能的應用為錯誤校正。操作3D量子位元晶格提供了使用一類新3D錯誤校正碼一起工作之機會，其中互連程度高於四，其為當前用於2D表面碼之程度。

圖8示意性地示出量子計算裝置80之一部分，該量子計算裝置包含連接元件84與層堆疊之最外層81之間的機械連接85A、機械連接85B及電連接83。

面向層堆疊之最外層81的中介件中之連接元件84的表面，例如量子位元平面，及最外層81自身可具有特定型材，使得中介件可耦接(電地及機械地)至層堆疊之最外層81，例如藉由使用自對準結構。最外層81可為圖案化層，其具有形成於其上或其中之導電材料之圖案82。例如，形成於最外層81上或中之圖案82可形成量子計算電路組件，諸如量子位元之一部分。

最外層81之型材的幾何結構可包括諸如一或多個凹口85A之結構。面向最外層81之中介件中之一或多個連接元件84的表面之幾何形狀可包括突出部85B，例如接腳，其可耦接至最外層81中之凹口85A。此類連接可為自對準結構且可經併入以使得中介件及層堆疊化合物之連接結構在製造之後更堅固。

連接元件84與層堆疊之最外層81之間的電連接可例如使用例如由銦製成之導電凸塊83或其他導電連接元件來完成。銦具有如下優勢：其在極低溫度下不會變脆，且因此在例如與作為量子計算電路組件建構至層堆疊中之超導量子位元一起工作時係良好材料選擇。

導電凸塊83可例如經由焊接、電鍍、迭層及/或球狀柵格陣列模板方法形成於最外層81上之特定位置處，且用以例如將訊號發送至量子計算電路組件或自量子計算電路組件發送訊號，例如向波導或自波導發送訊號，及/或例如以將層堆疊中之量子計算電路組件連接至連接元件84中之功能元件。導電凸塊83可經形成以使得其與接地線86C或傳輸線86A接觸。傳輸線86A及接地線86C可由連接元件84之已藉由蝕刻移除的區段86B分離。在此例示性實施例中，在最外層81上，傳輸線及接地藉由圖案82隔開，該圖案藉由蝕刻移除。

最外層81之表面及中介件中之一或多個連接元件84之表面，亦即在連接表面之一或兩者中的型材，可經由微影、深反應性蝕刻及/或光剝蝕之技術產生。可使用此等技術中之一者產生該等型材之機械及電氣幾何結構。

因此，連接元件84及層堆疊各自可具有連接表面，連接表面具有用於將連接元件84機械地及/或電耦接至層堆疊之連接型材。較佳地層堆疊之連接表面為層堆疊之最外層，更佳地層堆疊之連接表面為圖案化層。此外，諸如環氧樹脂或stycast之某些膠及焊接材料可用以進一步加強層堆疊與連接元件84之間的機械連接。

連接型材可包含耦接結構，較佳地凹口、突出部、耦接接腳；更佳地耦接結構可自對準。取決於連接之要求，凹口可形成於最外層81及下方之後續層中。

(垂直)連接元件84之連接型材因此包含用超導材料及/或導電材料沈積之突出部(亦稱為指形件或插腳)。此等突出部可與含有量子位元之層堆疊之外層接觸。與傳輸線相關聯之突出部直接接觸此平面或藉由與貫穿式通孔接觸。與接地線相關聯的突出部可藉由連接至層堆疊之外層的接地部件而形成一個均勻接地。為確保亦在低溫條件下接觸且在裝配期間計數未對準不容許度，突出部之尖端可由銦滴覆蓋。

圖14示意性地示出介於連接元件與包含量子位元之層堆疊之間的連接型材150。連接元件之連接型材包含突出部(指形件/插腳) 151，該等突出部亦用超導材料及/或導電材料沈積。突出部與層堆疊154之外層接觸，該層堆疊較佳地含有量子位元。與傳輸線153相關聯之指形件151直接接觸此平面或藉由與貫穿式通孔155接觸。與接地線相關聯的指形件可藉由連接至層堆疊之外層的接地部件而形成一個均勻接地。為了確保亦在低溫條件下接觸且為了在裝配期間計數未對準不容許度，指形件151之尖端可覆蓋有銦滴(或在低溫條件下柔軟且導熱之其他材料) 152。

圖9示意性地示出包含模組結構91之量子計算裝置90的一部分，該模組結構具有包含一或多個量子計算電路組件之多個模具92。

各模組92可包含具有一或多個基板層及一或多個圖案化層之層堆疊。圖案化層可形成一或多個量子計算電路組件。例如，一個模組92可包含具有量子位元之陣列的量子位元平面。

圖10示意性地示出包含中介件之量子計算裝置100的一部分，該中介件連接具有連接元件103，該連接元件連接包含一或多個量子計算電路組件之兩個層堆疊101A、101B。

兩個層堆疊101A、101B可例如各自包含於模組結構之不同模組內。諸如導電凸塊102A、導電凸塊102B之導電元件可用於將層堆疊101A、層堆疊101B電連接至中介件之連接元件103。以此方式，連接元件且因此中介件連接至模組結構之不同模組中的例如多個量子位元平面。例如，量子位元平面可以交錯方式相對於中介件安置。此等多個量子位元平面可經由中介件之連接元件103中之一或多個佈線104耦接在一起。這使得模組量子處理器成為可能。

此模組量子處理器結構允許增加量子位元之數目同時保持在模組之間解耦的晶片良率。此係因為量子處理器結構之所有量子位元工作的機率等於以下等式：，其中 m為量子處理器結構中之模組的數目， P _q 為平均個別量子位元良率，且 n _i 為模組 i中之量子位元之數目。對於由具有許多量子位元之單一模組組成的量子處理器結構，在彼量子處理器結構中所有量子位元工作的機率因此接近零。若自大量較小模組產生量子處理器結構，則吾人可在將模組併入結構中之前選擇模組中所有量子位元工作之模組。因此，在此中間選擇步驟之後。因此可提高量子處理器結構良率。

圖11示意性地示出包含中介件之量子計算裝置110的一部分，該中介件包含連接模組結構111內之多個模組112的連接元件113之陣列，各模組112包含一或多個量子計算電路組件。

同樣，層堆疊皆安置於實質上相同的平面中且可經由連接元件113中之佈線115電連接。其他傳輸線114或功能元件(圖中未示)亦可存在於連接元件中之一或多者中。

模組結構111亦可具有多個中介件，各自包含僅覆蓋模組結構111之一部分但共同至少就可連接性而言覆蓋整個模組結構111的連接元件113之陣列。另一選項為各模組112具有其自身中介件。此等中介件中之各者可包含僅跨越彼特定模組之連接元件。

模組112在模組結構111內或實際上任何層堆疊亦可包含皆機械及電連接至層堆疊之同一連接表面的多個中介件。

一般地，為了達成大量子位元平面(或其他量子計算電路組件)之最大可用性，可應用中間選擇。

中間選擇之第一方法可能需要製造大的量子位元平面。在製造平面之後，例如藉由光學顯微法或探針台量測值來評估各量子位元之功能。在下文中，選擇含有不具有量子位元故障之量子位元的晶片之最大可能區域。在此區域內，傳輸線經重新佈線。最後，將晶圓切割出不具有量子位元故障之區域。

中間選擇之第二方法亦可能需要製造大的量子位元平面。在製造平面之後，例如藉由光學顯微法或探針台量測值來評估各量子位元之功能。接著將量子位元故障出現所在的量子位元平面之部分切割出平面。剩餘元件隨後藉助於空橋或非平行，較佳正交中介件彼此連接。

將氮化鉭用於該量子位元平面或多個量子位元平面之圖案化層尤其有益，例如在自旋量子位元及超導量子位元之情況下。由鉭製成之超導量子位元此前已達成較長去相干時間，其為良好量子位元品質之量度。對於一些超導元件，使用於圖案化層之金屬與氮摻合引起更高超導轉變溫度(Tc)用於圖案化層，諸如在鈮之情況下。使用氮化鉭相比於使用鉭時引起長去相干時間，且通常更長的去相干時間。為製造此類具有氮化鉭之圖案化層，可使用原子層沈積及/或濺鍍將氮化鉭沈積於基板層上。

一般地，吾人可製作量子計算裝置，其包含基板層及鄰接且平行於基板層之圖案化層，使得基板層及圖案化層形成層堆疊。圖案化層可包含導電材料或由導電材料製成且可形成至少一個量子計算電路組件。導電材料可接著包含或為氮化鉭。例如，量子計算電路組件可包含氮化鉭。以此方式，可達到較長去相干時間。

超導鉭量子位元已經實現極長去相干時間。此情形之原因可為介面處不存在(或減少)不必要的材料缺陷，如破壞相干性之二階系統(TLS)。鉭亦僅具有一種穩定氧化物(Ta ₂O ₅)，其有利品質為在達到平衡之前僅在表面處形成薄氧化物層。此效應亦在鋁之情況下發生。用氮退火鉭可甚至更加有益，因為氮比氧與鉭形成更強的鍵，且因此可(強有力地)減少氧化層。根據經驗，較薄氧化物層通常較佳。

此外，對於其他超導材料，圖案化層之金屬經氮氣退火可提高此金屬之臨界溫度。臨界溫度為超導效應出現時之溫度，因此該金屬之較高臨界溫度通常為較佳的。使用氮化鉭可達成相同效果。

氮化鉭可藉助於ALD、反應磁控濺鍍及PLD以及其他方法沈積。由於與鉭原子之氮鍵，TaN膜之表面相比於鉭膜具有減少之氧化物，因此減少藉由在低溫溫度下之金屬-空氣介面及超導量子位元操作之典型低功率激發所展現的缺陷(TLS)之量。基板層可由藍寶石、矽、BeO、AlN、石英及/或任何其他介電材料製成。量子計算電路組件可包含量子位元，較佳地超導量子位元或自旋量子位元。例如，部分或整個圖案化層可由TaN製成。較佳地，約瑟夫森接面(Josephson junction)可為並非由TaN製成之圖案化層的一部分。

一般地，製造量子計算裝置之方法可包含提供基板層及使用原子層沈積及/或藉由氮化鉭濺鍍將圖案化層沈積於基板層之頂部上。以此方式，圖案化層可包含氮化鉭或由氮化鉭製成。可使圖案化層形成至少一個量子計算電路組件，較佳地量子位元，更佳地超導量子位元或自旋量子位元。基板層可由藍寶石、矽、BeO、AlN、石英及/或任何其他介電材料製成。

吾人可使用如上文所描述的包含氮化鉭之量子計算裝置執行量子計算操作。

水平元件及垂直元件均可經由例如如下所描述之傳統微型製造技術製造。通常，基板可經清潔及製備以藉助於例如濺鍍、蒸發、ALD或MBE來接收金屬化物。隨後，可例如藉由光學或電子束技術界定微影圖案。蝕刻可例如藉由乾式蝕刻、濕式蝕刻或組合進行。VIA可藉助於DRIE或雷射剝蝕實現，且其圖層藉由ALD保形地實現。元件可藉由切晶刀片或雷射剝蝕而與起始基板分離。

在水平元件及豎直元件經個別地製造之後，其隨後可經製備用於3D總成。此可涉及額外金屬沈積(金及銦)及後續圖案化。最後，水平元件及豎直元件之對準在例如熱壓縮接合之前執行。

上述實施例之兩者或兩者以上可以任何適當方式組合。

10:量子計算裝置 11:基板層 12:圖案化層 13:層堆疊之最外層 14:層堆疊 15:連接元件 16:中介件 20:量子計算裝置 21:層堆疊 22:連接元件 23:中介件 24:傳輸線 30:量子計算裝置 31:層堆疊 32:量子計算電路組件;計算電路組件 33:傳輸線 34:量子位元 35A:佈線接腳 35B:投影 37:連接元件 40:量子計算裝置 41:層堆疊 42A:功能元件 42B:功能元件 42C:功能元件 42D:功能元件 43A:傳輸線 43B:另一傳輸線 45A:傳輸線 45B:傳輸線 45C:另一傳輸線 46:連接元件 50:量子計算裝置 51:層堆疊 52:量子位元 53:連接元件;垂直元件 54:功能元件 55:傳輸線 60:量子計算裝置 61A:層堆疊 61B:層堆疊 62A:連接表面 62B:連接表面 63A:量子計算電路組件 63B:量子計算電路組件 64:連接元件 65:傳輸線 70:量子計算裝置 71:基板層 72:圖案化層 73A:頂部表面 73B:底部表面 74:層堆疊; 圖案化層 75A:連接元件 75B:連接元件 76A:中介件;第一中介件 76B:中介件;第二中介件 80:量子計算裝置 81:層堆疊之最外層 82:圖案 83:電連接;導電凸塊 84:連接元件 85A:機械連接;凹口 85B:機械連接;突出部 86A:傳輸線 86B:區段 86C:接地線 90:量子計算裝置 91:模組結構 92:模組 100:量子計算裝置 101A:層堆疊 101B:層堆疊 102A:導電凸塊 102B:導電凸塊 103:連接元件 104:佈線 110:量子計算裝置 111:模組結構 112:模組 113:連接元件 114:傳輸線 115:佈線 120:量子計算裝置 121:層堆疊; 連接元件 122:間隔件元件 130:間隔件 131:垂直連接元件 132:緩存或間隙或真空 133:傳輸線與接地(如共面波導)之間的間隙 134:傳輸線 140A:間隔件;間隔件元件 140B:間隔件;間隔件元件 141:間隙/真空 150:連接型材 151:突出部;指形件 152:銦滴 153:傳輸線 154:層堆疊 155:貫穿式通孔

現將參看隨附示意性圖式而僅藉助於實例來描述實施例，在該等圖式中對應參考符號指示對應部件，且其中：

圖1示意性地示出根據一個實施例之包含層堆疊及安置於其上之中介件的量子計算裝置之一部分；

圖2示意性地示出根據一個實施例之包含層堆疊與中介件之量子計算裝置的一部分之透視圖，該中介件包含安置於其上之連接元件的陣列；

圖3示意性地示出根據一個實施例之一或多個量子計算電路組件，較佳地量子位元可如何電連接至量子計算裝置之一部分中的連接元件之透視圖；

圖4示意性地示出根據一個實施例之包含連接元件之量子計算裝置的一部分，該連接元件包含傳輸線及一或多個功能元件；

圖5示意性地示出根據一個實施例之包含層堆疊與中介件之量子計算裝置之一部分的透視圖，該中介件包含具有傳輸線及安置於其上之一或多個功能元件之連接元件的陣列；

圖6示意性地示出量子計算裝置之一部分的透視圖，該量子計算裝置包含兩個層堆疊與形成於其間之中介件；

圖7示意性地示出根據一個實施例之包含層堆疊及在層堆疊之任一側安置於其上之兩個中介件的量子計算裝置之一部分；

圖8示意性地示出包含連接元件與層堆疊之間機械及電連接之量子計算裝置的一部分；

圖9示意性地示出包含模組結構之量子計算裝置的一部分，該模組結構具有包含一或多個量子計算電路組件，較佳地量子位元之多個平面；

圖10示意性地示出包含連接兩個層堆疊之中介件的量子計算裝置之一部分，該等層堆疊包含一或多個量子計算電路組件，較佳地，量子位元；

圖11示意性地示出包含中介件之量子計算裝置的一部分，該中介件包含連接模組結構內之多個模組的連接元件之陣列，各模組包含一或多個量子計算電路組件，較佳地量子位元；

圖12示意性地描繪安置於層堆疊上之中介件，層堆疊包含量子計算電路組件，較佳地量子位元，其中中介件包含連接元件及間隔件元件；

圖13A及圖13B分別顯示連接在垂直連接元件之頂部上的間隔件或連接在另一間隔件之頂部上的間隔件；

圖14示意性地示出連接元件與包含量子位元之層堆疊之間的連接型材。

圖式僅意謂出於說明之目的，並且不充當對如由申請專利範圍列出的範圍或保護的限制。

10:量子計算裝置

11:基板層

12:圖案化層

13:層堆疊之最外層

14:層堆疊

15:連接元件

16:中介件

Claims

一種量子計算裝置，其包含：基板層；圖案化層，其鄰接且平行於該基板層，使得該基板層及該圖案化層形成層堆疊，其中該圖案化層包含導電材料且其中該層堆疊形成多個量子位元；及中介件，其包含機械地連接至該層堆疊之剛性連接元件，其中該連接元件係實質上平面的且安置於相對於形成該基板層之平面的非平行平面中，且其中該連接元件包含形成於該連接元件上或該連接元件中之導電元件，較佳地傳輸線，用於提供與該圖案化層之電連接。
如請求項1之量子計算裝置，其中該連接元件具有實質上矩形或正方形形狀。
如請求項1或2之量子計算裝置，其中該中介件以電流方式、以電感方式或以電容方式電連接至該圖案化層。
如前述請求項中任一項之量子計算裝置，其中該基板層由藍寶石、矽、BeO、AlN、石英及/或任何其他介電材料製成，及/或其中該圖案化層由超導材料，諸如Al、Nb、NbN、NbTiN、鉭，較佳地氮化鉭製成。
如前述請求項中任一項之量子計算裝置，其中該圖案化層藉由原子層沈積、蒸發、分子束磊晶術及/或濺鍍形成。
如前述請求項中任一項之量子計算裝置，其中該中介件，較佳該連接元件由與用於該基板層相同的材料製成。
如前述請求項中任一項之量子計算裝置，其中該連接元件包含連接基板層，或連接基板層及鄰接且平行於該連接基板層之連接圖案化層，其中該連接圖案化層包含導電材料；較佳地其中該連接基板層由藍寶石、矽、BeO、AlN、石英及/或任何其他介電材料製成，及/或較佳地其中該連接圖案化層由超導材料，諸如Al、Nb、NbN、NbTiN、鉭，較佳地鉭製成，較佳地其中該連接圖案化層塗佈有導電層。
如前述請求項中任一項之量子計算裝置，其中該量子位元包含超導量子位元、自旋量子位元、捕獲離子或中性原子；及/或其中該圖案化層進一步形成量子計算電路，其中該量子計算電路包含光子量子電路及/或另一晶片元件，較佳地電子控制器、讀出電路、放大器、濾波器及/或轉換器。
如前述請求項中任一項之量子計算裝置，其中該連接元件進一步包含功能元件，該功能元件為自該量子位元獲得輸入及/或將輸出發送至該量子位元之電路組件及/或其中該功能元件調節來自量子計算電路組件之輸入/輸出訊號，較佳地其中該功能元件包含低通濾波器、衰減器、DC區塊、IR濾波器、定向耦合器、佈線、循環器及/或放大器。
如請求項7及9之量子計算裝置，其中該連接圖案化層形成該功能元件。
如前述請求項中任一項之量子計算裝置，其中該連接元件具有以下功能中之至少一者：微波驅動、通量偏壓、饋入線輸入/輸出、用於該放大器或循環器之泵、參數放大器、循環器、定向耦合器或佈線。
如前述請求項中任一項之量子計算裝置，其中繞線至該量子位元及/或自該量子位元繞線係至少部分地經由該連接元件完成。
如前述請求項中任一項之量子計算裝置，其中該中介件直接連接至該圖案化層，或其中該中介件間接連接至該圖案化層，較佳地經由通孔。
如前述請求項中任一項之量子計算裝置，其中該連接元件及該層堆疊各自具有連接表面，該連接表面具有用於將該連接元件機械地及/或電耦接至該層堆疊之連接型材，較佳地其中該層堆疊之該連接表面為該層堆疊之最外層，更佳地其中該層堆疊之該連接表面為該圖案化層，較佳地其中該連接型材包含耦接結構，較佳地凹口、突出部、耦接接腳；較佳地其中該耦接結構自對準。
如請求項14之量子計算裝置，其中形成於該連接表面上之該連接型材經由微影、深反應性蝕刻及/或光剝蝕產生。
如前述請求項中任一項之量子計算裝置，其進一步包含可連接電路組件，其中該連接元件係該層堆疊，較佳地該量子位元與該可連接電路組件之間的中間鏈路；較佳地其中該可連接電路組件包含連接器化電路，更佳地印刷電路板或波導之陣列。
如請求項16之量子計算裝置，其中該可連接電路組件包含第二層堆疊，該第二層堆疊由至少第二基板層及鄰接且平行於該第二基板層之第二圖案化層形成，其中該第二圖案化層形成至少一個量子計算電路組件。
如請求項17之量子計算裝置，其中該第二層堆疊實質上平行於該層堆疊且與該連接元件成一角度，較佳地實質上正交，較佳地其中該第二層堆疊安置於與該層堆疊實質上相同之平面中且其中該層堆疊及該第二層堆疊經由該中介件中之佈線而電連接；或其中該第二層堆疊安置於與該層堆疊所安置之該平面不同的平面中，該連接元件自該層堆疊所安置之該平面達至該第二層堆疊所安置之該平面。
如請求項16至18中任一項之量子計算裝置，其中該可連接電路組件包含，較佳地其中該第二量子計算電路包含量子位元及/或其他晶片元件，較佳地電子控制器、讀出電路或轉換器。
如前述請求項中任一項之量子計算裝置，其中該中介件包含連接元件之陣列，該等連接元件實質上彼此平行且與該層堆疊呈一角度，較佳地實質上正交，且其中該陣列中之各連接元件連接至該圖案化層，較佳地其中該等連接元件以與該水平面上之該等量子位元之間距相關的特定間距隔開。
如請求項20之量子計算裝置，其中該中介件包含至少一個間隔件元件；較佳地其中該等連接元件藉由該至少一個間隔件元件對準；其中該間隔件元件機械地連接至該連接元件及/或該層堆疊，較佳地經由穿透矽通孔；其中該至少一個間隔件元件安置於相對於該層堆疊之基板平面的非平行平面，較佳地相對於該層堆疊之該基板平面的實質上正交平面中，更佳地其中該間隔件元件安置於平行於該一或多個連接元件的平面中；較佳地其中該中介件包含多個間隔件，更佳地其中該等多個間隔件與該等連接元件交替。
如請求項21之量子計算裝置，其中該至少一個間隔件包含間隔件基板層，或間隔件基板層及鄰接且平行於該間隔件基板層之間隔件圖案化層，其中該間隔件圖案化層包含導電材料；較佳地其中該間隔件基板層由藍寶石、矽、BeO、AlN、石英及/或任何其他介電材料製成，及/或較佳地其中該間隔件圖案化層由超導材料，諸如Al、Nb、NbN、NbTiN、鉭，較佳地氮化鉭製成，較佳地其中該間隔件圖案化層塗佈有導電層。
如請求項21或22之量子計算裝置，其中該至少一個間隔件包含功能間隔件元件，較佳地其中該功能間隔件元件包含屏蔽件及/或其中該至少一個間隔件包含波導，該波導具有該可連接電路組件，例如PCB。
如前述請求項中任一項之量子計算裝置，其中該層堆疊包含沈積於一或多個基板層上之多個圖案化層，各圖案化層包含量子電路組件，較佳地量子位元。
如前述請求項中任一項之量子計算裝置，其中該層堆疊中之該等層及/或該連接元件中之該等層經由穿透矽通孔連接，較佳地其中該層堆疊及/或該連接元件包含通孔及/或盲孔。
如前述請求項中任一項之量子計算裝置，其中在該中介件機械地連接至該層堆疊之情況下，第二中介件在該層堆疊的相對末端處機械連接至該層堆疊，較佳地其中該圖案化層之輸入饋入線經由該中介件提供，且該圖案化層之輸出饋入線經由該第二中介件提供。
如前述請求項中任一項之量子計算裝置，其中多個中介件機械地及電連接至該層堆疊之連接表面，及/或其中多個層堆疊與該等中介件交替。
一種執行量子計算操作之方法，其使用如前述請求項中任一項之量子計算裝置。
一種製造量子計算裝置之方法，其包含：提供基板；在該基板層之頂部上且平行於該基板層沈積圖案化層，使得該基板層及該圖案化層形成層堆疊，其中該圖案化層包含導電材料且其中該層堆疊形成多個量子位元；將包含於中介件中之剛性連接元件機械地連接至該層堆疊，其中該連接元件係實質上平面的且安置於相對於形成該基板層之平面的非平行平面中；在該連接元件上或在該連接元件中形成導電元件，較佳地傳輸線，用於提供至該圖案化層之電連接；及將該導電元件電耦接至該圖案化層。
一種量子計算裝置，其包含：基板層；圖案化層，其鄰接且平行於該基板層，使得該基板層及該圖案化層形成層堆疊，其中該圖案化層包含導電材料且其中該層堆疊形成至少一個量子計算電路組件，較佳地導電接地面、諧振器、波導及/或量子位元電容器；其中該導電材料包含氮化鉭。
如請求項25之量子計算裝置，其中該基板層由藍寶石、矽、BeO、AlN、石英及/或任何其他介電材料製成；及/或其中該量子計算電路組件包含量子位元，較佳地超導量子位元或自旋量子位元。
一種製造量子計算裝置之方法，其包含：提供基板層；使用原子層沈積及/或濺鍍氮化鉭之情況下將圖案化層沈積於該基板層之頂部上，使得該圖案化層包含氮化鉭且形成至少一個量子計算電路組件，較佳地量子位元，更佳地超導量子位元或自旋量子位元；其中較佳地該基板層由藍寶石、矽、BeO、AlN、石英及/或任何其他介電材料製成。