量子比特器件的制备技术研究
发布时间：2020-08-18 15:56
【摘要】：超导量子计算是量子计算的一种固态技术方案,超导量子比特是其基本单元,超导量子比特具有易集成、低损耗、且可以通过物理结构来控制电路参数等特点,使得超导量子计算从被提出至今,一直是国内外研究的热点。然而超导量子比特电路也存在很多的需要突破的地方,一方面,超导量子比特易与周围复杂的电磁环境耦合,从而缩短其从激发态退化到基态的时间,即退相干时间较短;另一方面,随着人们对超导量子比特研究的不断深入,目前超导量子比特集成规模已经从两三个量子比特发展到十几个量子比特耦合,多量子比特之间耦合、集成和封装等关键问题日趋明显。本文以三维传输子量子比特(3D-transmon)作为模型,结合实验测量系统,设计出3D-transmon的结构,研究了 Al/AlOx/Al结构的约瑟夫森结的制备工艺,成功制备出3D-transmon样品,退相干时间T1约566ns,对退相干时间T1较短的原因进行了分析,并根据分析结果对后期样品制备工艺进行了改进;同时对超导多量子比特集成和封装工艺进行了初步探索,用低熔点锡为电极材料,初步研究了金衬底上电极制备工艺。具体工作如下:1、3D-transmon的分析与设计对多种超导量子比特进行了介绍,分析了 3D-transmon结构中的物理参数对电路的影响。并结合实验测量系统,设计出了 3D-transmon。2、3D-transmon的制备与测量采用电子束光刻技术在高阻Si衬底上制备在出亚微米双层胶悬空掩模,重点解决了电子束曝光剂量和下层胶显影时间的问题,再通过电子束斜蒸发与垂直蒸发相结合来制备Al/AlOx/Al超导隧道结。将隧道结与三维谐振腔耦合,实现3D-transmon,并在20mK下测量了 3D-transmon的量子特性,包括基态到第一激发态能级跃迁频率、拉比震荡、能量弛豫时间T1等。对测试结果进行了分析,同时对制备工艺进行了改进,打通了 3D-transmon的制备工艺。3、对多量子比特集成工艺进行了初步研究使用低熔点焊锡作为电极材料,分别在Si衬底和镀金Si衬底上旋涂AZ1500光刻胶,再采用深紫外曝光技术制备出电极图形,将样品放入液锡中,使液锡充满整个光刻图形,再从液锡中拿出,对残留在光刻胶表面的液锡进行去除,最后剥离光刻胶,得到了较好的电极样品。
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O413;TP38
【图文】：
约瑟夫森结（Ｊｏｓｅｐｈｓｏｎｊｕｎｃｔｉｏｎ，邋ＪＪ）是超导量子比特电路中最关键的元器逡逑件，它是由“三明治”结构组成（三层结构包括超导－绝缘层－超导结构，也称逡逑Ｓ１Ｓ结构），两侧是超导体（ａ和ｂ），中间是很薄的绝缘层，。如图１－１所示。逡逑逦Ａ逡逑图１－１约瑟夫森结示意图逡逑１９６２年，Ｂｒｉａｎ邋Ｄａｖｉｄ邋Ｊｏｓｅｐｈｓｏｎ提出了约瑟夫森效应＿，当绝缘层的厚度逡逑很薄，厚度与超导体的相干长度相似时，绝缘层两侧的超导超导体（ａ和ｂ）之逡逑间会产生耦合作用，这种耦合作用十分微弱，此时电子在电极间转移的方式是逡逑库伯对的形式，而不是自由电子的形式，这种耦合作用称之为弱连接作用。在逡逑弱连接作用下，超导体电极（ａ和ｂ）的波函数的相位既不独立，也不完全相同，逡逑这就是约瑟夫森效应。约瑟夫森效应可以用以下两个公式表示：逡逑Ｉｓ邋＝邋Ｉｃ邋ｓｉｎ邋５逦（１－１）逡逑４逡逑
１）电荷量子比特逡逑ＣＰＢ的关键部分是两个很小尺寸的超导岛（ｉｓｌａｎｄ），超导岛由Ｊ约瑟夫森逡逑结连接。ＣＰＢ结构如图１－３所示，棕色部分为超导岛，蓝色部分为约瑟夫森结。逡逑可以看到其中一个超导岛通过栅极电容Ｃｇ与栅极电压Ｋｇ邋—极相连，另一个超逡逑导岛接地，＆和Ｇ分别为约瑟夫森耦合能和电感，《邋＝邋ＣｇＦｇ／２ｅ是超导岛上存逡逑在的Ｃｏｏｐｅｒ对的数目。通常超导岛的面积会很小，且乓邋＞＞N希康氖俏烁义虾玫那执嬖谟诔嫉荷系模茫铮铮穑澹蚨缘氖俊＃茫校碌牧孔犹嗔诔嫉荷襄义希茫铮铮穑澹蚨缘氖浚澹铄澹竞停澹睿卞澹尽ｅ义希跺义
本文编号：2796426
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O413;TP38
【图文】：
约瑟夫森结（Ｊｏｓｅｐｈｓｏｎｊｕｎｃｔｉｏｎ，邋ＪＪ）是超导量子比特电路中最关键的元器逡逑件，它是由“三明治”结构组成（三层结构包括超导－绝缘层－超导结构，也称逡逑Ｓ１Ｓ结构），两侧是超导体（ａ和ｂ），中间是很薄的绝缘层，。如图１－１所示。逡逑逦Ａ逡逑图１－１约瑟夫森结示意图逡逑１９６２年，Ｂｒｉａｎ邋Ｄａｖｉｄ邋Ｊｏｓｅｐｈｓｏｎ提出了约瑟夫森效应＿，当绝缘层的厚度逡逑很薄，厚度与超导体的相干长度相似时，绝缘层两侧的超导超导体（ａ和ｂ）之逡逑间会产生耦合作用，这种耦合作用十分微弱，此时电子在电极间转移的方式是逡逑库伯对的形式，而不是自由电子的形式，这种耦合作用称之为弱连接作用。在逡逑弱连接作用下，超导体电极（ａ和ｂ）的波函数的相位既不独立，也不完全相同，逡逑这就是约瑟夫森效应。约瑟夫森效应可以用以下两个公式表示：逡逑Ｉｓ邋＝邋Ｉｃ邋ｓｉｎ邋５逦（１－１）逡逑４逡逑
１）电荷量子比特逡逑ＣＰＢ的关键部分是两个很小尺寸的超导岛（ｉｓｌａｎｄ），超导岛由Ｊ约瑟夫森逡逑结连接。ＣＰＢ结构如图１－３所示，棕色部分为超导岛，蓝色部分为约瑟夫森结。逡逑可以看到其中一个超导岛通过栅极电容Ｃｇ与栅极电压Ｋｇ邋—极相连，另一个超逡逑导岛接地，＆和Ｇ分别为约瑟夫森耦合能和电感，《邋＝邋ＣｇＦｇ／２ｅ是超导岛上存逡逑在的Ｃｏｏｐｅｒ对的数目。通常超导岛的面积会很小，且乓邋＞＞N希康氖俏烁义虾玫那执嬖谟诔嫉荷系模茫铮铮穑澹蚨缘氖俊＃茫校碌牧孔犹嗔诔嫉荷襄义希茫铮铮穑澹蚨缘氖浚澹铄澹竞停澹睿卞澹尽ｅ义希跺义
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