超导量子计算相关器件的制备工艺研究.doc

超导量子计算相关器件的制备工艺研究量子计算的原理决定了量子计算机在某些问题上可以超越经典计算机,例如大数因子的分解等。量子计算机的实现还对量子多体系统研究等具有重大意义。为了实现量子计算,首先需要实现量子比特、量子逻辑门以及量子纠错等。目前有望实现量子计算的众多物理体系中,基于约瑟夫森结的超导量子体系具有退相干时间较长、易精准操控和读取等优势,且有非常好的可扩展性,是目前广泛认同的最有可能实现量子计算的体系之一。超导量子比特的实现基于电容和约瑟夫森结的非线性电感组成的非线性LC谐振回路。在此基础上,发展出了一系列的量子比特架构。其中2DTransmon和Xmon在量子比特寿命、可扩展性、易操控性和易加工方面实现了很好的平衡。目前超导量子计算的主要发展目标为:提升量子比特的数目和性能,藉此实现高保真的门操作,结合量子纠错,最终实现通用量子计算机。为了提升量子比特的数目和性能,实现高保真门操作,高质量器件的制备技术是必不可少的。本人在博士期间进行了一系列的器件制备工艺方面的探索,主要包括:通过改进工艺提高器件中量子比特的相干时间;控制工艺实现全连通20Xmon量子比特的制备;尝试制备量子比特与共面波导谐振腔的耦合可调样品;尝试制备高非线性量子比特样品;制备约瑟夫森参量放大器。初步获得了以下成果:为减少工艺对样品质量的影响,提出并使用刻蚀和lift-off融合的工艺,只用一次曝光就可以完成定位标记的沉积和基本微波传输线路的刻蚀;反复优化工艺步骤后,经过多次尝试,在一维链5比特等样品中实现了70微秒以上的比特退相干时间;结合Airbridge跨线工艺,成功制备了比特频率、性能和耦合强度均匀性均满足测量需求的全连通20比特样品,部分比特的退相干时间也可以达到70微秒以上;利用约瑟夫森结的可调电感形成可调耦合器,实现了量子比特和共面波导谐振腔耦合强度在0到40MHz之间的调节,并且量子比特的寿命仍然可以到达接近20微秒;尝试制备了新架构的量子比特,实现了1.4GHz的高非线性;采用了新制备工艺,高效制备了多批满足多比特同时读取需求的宽带约瑟夫森参量放大器。