半导体约瑟夫森结及其相关的传输子量子位制造技术

本公开涉及基于半导体的约瑟夫森结及其在量子计算领域内的应用，特别地，可调谐约瑟夫森结器件已经用于构造可门控传输子量子位。一个实施例涉及一种约瑟夫森结，包括包含超导体(Al)材料和半导体(InAs)材料的细长的混合纳米结构和弱链接，其中半导体弱链接由细长的混合纳米结构的半导体段形成，其中超导体材料已经被去除。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本公开涉及基于半导体的约瑟夫森(Josephson)结及其在量子计算领域内的应用，特别地，已经用于构造可门控传输子(transmon)的量子位的可调谐约瑟夫森结器件。
技术介绍
量子计算机的基本元素是量子比特-也称为“量子位”。与表示0和1的经典位相反，量子位还能够表示两个状态的量子叠加。因此，状态可以在量子物理学的规律内用概率进行形式化。因此，状态可以在量子物理学的规律内被操纵和观察。许多物理对象已经被建议作为量子位的潜在实现。然而，固态电路和超导电路特别令人感兴趣，因为它们提供可扩展性-用更大数量的相互作用量子位来制作电路的可能性。超导量子位通常基于约瑟夫森结(JJ)。约瑟夫森结基本上是通过弱链接耦合的两个超导体。弱链接可以是例如薄的绝缘阻挡层、非超导金属的短段、或者减弱在接触点处的超导性的物理收缩。约瑟夫森结可以通过超导电极之间的绝缘Al2O3隧道势垒(即弱链接)来制造。对于这种超导体-绝缘体-超导体(SIS)约瑟夫森结，最大允许超电流、临界电流IC和约瑟夫森耦合能量(其中e是电子电荷)由JJ面积和绝缘体厚度确定并通过样品制造固定。要实现的第一个量子位之一是电荷量子位：单个库柏对盒。单个库柏对盒包括一个小岛，其通过在一侧上的JJ连接到超导储存器并且通过在另一侧上的栅电容Cg和栅电压Vg偏置。当结处于其超导状态时，库柏对可以隧穿到岛和从岛离开。可以通过栅极电压来控制岛的电位。除了约瑟夫森耦合能量之外，单个库柏对盒还可以通过库珀对的库仑能量(即，充电能量，表示为EC＝e2/2CT)表征，其中CT表示岛与其电路之间的总电容，即CT＝Cg+CJ，其中CJ是JJ的电容。具有可调谐的临界电流和基于约瑟夫森结的超导量子位在量子计算领域是优选的，并且已经使用所谓的超导量子干涉装置(SQUID)实现，其允许借助于外部磁场来调谐Ej。SQUID基于单个库柏对盒的附加件，例如其可以具有与单个库柏对盒的JJ并联添加的JJ，从而形成环，通过该环可以施加磁场。在该配置中，SQUID是所谓的DC-SQUID。因此，典型的电荷量子位(即简单的单个库柏对盒)是过时的，至少因为它是不可调谐的。然而，几个问题涉及可调谐量子位，特别是涉及为了调谐量子位而施加的外部磁场。首先，外部磁场可以降低约瑟夫森能量和充电能量的比率，从而引入对电荷噪声的敏感性。其次，磁通量可能被捕获在系统中。第三，将磁体放置在一个或多个量子位的附近可能是不方便的。最后，管理用于相互作用量子位的磁场可能是复杂的。
技术实现思路
为了克服与调谐量子位有关的问题，特别是使用外部磁场调谐约瑟夫森耦合能量，本公开为可调谐量子位提出了完全不同的设置。本公开特别地提供了不需要用于调谐量子位的外部磁场的设置。因此，本公开提供了用于调谐约瑟夫森耦合能量的替代的和更好的解决方案。本公开在第一方面涉及一种约瑟夫森结，包括包含超导体材料和半导体材料的细长的混合纳米结构和弱链接，其中所述弱链接由细长的混合纳米结构的半导体段形成，其中超导体材料已经被去除以提供半导体弱链接。因此，本公开可以被视为对超导体-常规-超导体(SNS)JJ的典型JJ(即超导体-绝缘体-超导体(SIS)JJ)的修改，即通过用绝缘体(I)取代常规元件(N)，其中所述常规元件是半导体材料。具有半导体材料而不是绝缘体的效果在于，这样的配置允许通过控制常规元件的载流子密度的电场来调谐约瑟夫森耦合能量Ej，并由此调谐超导电极的耦合。因此，可以通过半导体的耗尽来控制约瑟夫森能量。因此，本公开提供了一种用于借助于非磁场调谐约瑟夫森耦合能量的解决方案，从而克服与例如量子位附近的磁场相关的问题。本专利技术的第二方面一般涉及可调约瑟夫森器件，包括如刚刚描述的约瑟夫森结和静电侧栅极，该静电侧栅极位于邻近约瑟夫森结的弱链接处并且被配置为施加和控制弱链接两端的电压。本专利技术的第三方面涉及一种侧栅极控制的电荷量子位，包括超导岛；超导电极；将岛和电极互连的约瑟夫森结，该约瑟夫森结包括半导体弱链接和静电侧栅极；以及借助于主栅极电容耦合超导岛和超导电极的主栅极电压。所述电荷量子位优选地被配置使得通过调谐静电侧栅极的电压来控制半导体弱链接中的电子密度。典型的电荷量子位或单个库柏对盒包括超导岛；超导电极；将岛和电极互连的约瑟夫森结，该约瑟夫森结包括弱链接；以及借助于主栅极电容耦合超导岛和超导电极的主栅极电压。因此，根据本专利技术的侧栅极控制的电荷量子位与典型的电荷量子位的不同之处在于，约瑟夫森结包括半导体弱链接和静电侧栅极。这些差异的效果在于，它们允许侧栅极控制的电荷量子位被配置使得通过调谐静电侧栅极的电压来控制半导体弱链接中的电子密度。根据定义，电荷量子位由能量比EJ/EC限制，即远小于1。本专利技术的第四方面涉及一种侧栅极控制的传输子量子位，包括超导岛；超导电极；将岛和电极互连的约瑟夫森结，该约瑟夫森结包括半导体弱链接和静电侧栅极；将超导岛分流接地的分流电容；以及借助于主栅极电容耦合超导岛和超导电极的主栅极电压。同样，传输子量子位优选地被配置使得半导体弱链接中的电子密度通过调谐静电侧栅极的电压来控制。也就是说，可以配置传输子量子位，使得通过调谐静电侧栅极的电压通过半导体弱链接的耗尽来提供约瑟夫森能量的控制。典型的传输子量子位与典型的电荷量子位的不同之处在于，它还包括分流电容。换句话说，传输子量子位是一种特殊类型的电荷量子位。分流电容负责降低充电能量EC。这意味着能量比EJ/EC不再处于电荷量子位定义之内，而是进入一种新的状态，称为传输子状态。因此，根据定义，传输子量子位是一个量子位，其中EJ>>EC，或者更具体地，其中EJ/EC≥20。利用传输子量子位的这种定义，本公开的侧栅极控制的传输子量子位通过将传输子量子位的超导岛分流接地的分流电容而不同于目前公开的侧栅极控制的电荷量子位。典型的传输子量子位常规地配置有具有SIS配置的JJ。另外，典型的传输子量子位也常规地配置有两个JJ，通常在DC-SQUID配置中。因此，根据本专利技术的侧栅极控制的传输子量子位与典型的传输子量子位有很大不同。由根据本专利技术的侧栅极控制的传输子量子位定义的特征的效果在于，大大简化了对许多量子位的缩放。例如，需要超导电流回路的典型的传输子量子位首先意味着需要大电流，并且复杂的控制电子器件必须通过正常的同轴线、滤波器和衰减器进入低温环境。这可以使用本专利技术来避免。与通量脉冲相比，片上电压脉冲(即与使用电压调谐量子位相关的片上电压脉冲)相对容易被屏蔽，并且将减少量子位控制线之间的串扰。本专利技术的主要优点是控制约瑟夫森能量的新能力，因此通过半导体的耗尽控制传输子量子频率，类似于场效应晶体管中的电导的控制，从而将新的量子计算领域与成熟的半导体技术结合。可调谐的约瑟夫森结已经被实现并且用于构造和实现侧栅极控制的传输子量子位，这在本文的示例中得到证明。本专利技术的第五方面涉及一种由混合半导体超导体纳米结构制造约瑟夫森结的方法。附图说明图1示出了根据本专利技术的侧栅极控制的传输子量子位的示例。图2示出了根据本专利技术的与侧栅极控制的传输子量子位的强耦合的示例。图3示出了根据本专利技术的侧栅极控制的传输子量子位的相干控制的示例。图4示出了根据本专利技术的侧栅极控制的传输子量子位的相干控制的上述示例的进一步细节本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种约瑟夫森结，包括包含超导体材料和半导体材料的细长的混合纳米结构和弱链接，其中所述弱链接由所述细长的混合纳米结构的半导体段形成，其中所述超导体材料已经被去除以提供半导体弱链接。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.07.02 EP 14175342.6;2015.02.10 EP 15154459.01.一种约瑟夫森结，包括包含超导体材料和半导体材料的细长的混合纳米结构和弱链接，其中所述弱链接由所述细长的混合纳米结构的半导体段形成，其中所述超导体材料已经被去除以提供半导体弱链接。2.根据权利要求1所述的约瑟夫森结，其中所述细长的混合纳米结构包括结晶半导体纳米结构和超导体材料的结晶结构化的第一面层，并且其中所述半导体纳米结构的结晶结构与所述两个结晶结构之间的界面上的所述第一面层的结晶结构外延匹配。3.根据权利要求1所述的约瑟夫森结，其中所述细长的混合纳米结构包括：-具有多个基本上平面的侧面的细长的结晶半导体纳米结构；以及-结晶超导体第一面层，覆盖所述结晶半导体纳米结构的长度的至少一部分的一个或多个所述平面侧面，其中所述半导体纳米结构的结晶结构在至少一个侧面的界面上与所述第一面层的结晶结构外延匹配，并且其中所述弱链接由所述细长的混合纳米结构的半导体段形成，其中所述第一面层已经被去除以提供半导体弱链接。4.根据前述权利要求中任一项所述的约瑟夫森结，其中所述半导体纳米结构的结晶结构与所述第一面层之间的外延匹配被配置为在所述半导体纳米结构中引入超导体硬间隙。5.根据前述权利要求中任一项所述的约瑟夫森结，其中所述结晶半导体纳米结构的平面表面与所述第一面层之间的每个二维界面在至少一个维度上是域匹配和/或晶格匹配的。6.根据前述权利要求中任一项所述的约瑟夫森结，其中所述结晶半导体纳米结构的平面表面与所述第一面层之间的每个二维界面在两个维度上都是域匹配和/或晶格匹配的。7.根据前述权利要求中任一项所述的约瑟夫森结，其中所述结晶半导体纳米结构的晶体结构和所述第一面层的晶体结构属于不同的晶格系统。8.根据前述权利要求中任一项所述的约瑟夫森结，其中所述结晶半导体纳米结构的布拉维点阵与所述第一面层的布拉维点阵不同。9.根据前述权利要求中任一项所述的约瑟夫森结，其中所述结晶半导体纳米结构基本上是一维的。10.根据前述权利要求中任一项所述的约瑟夫森结，其中所述半导体段的长度在10nm和500nm之间，或者在20nm和400nm之间，或者在40nm和300nm之间，更优选地在100nm和250nm之间，最优选地在150nm和200nm之间。11.根据前述权利要求中任一项所述的约瑟夫森结，其中所述结晶半导体纳米结构以选自以下集合的半导体材料提供：诸如InAs、InP、InSb、GaAs、GaSb、AlSb和InGaAs的III-V族组合，或诸如Si或Ge的IV族元素，或诸如SiGe的IV族组合，或诸如ZnO、ZnSe和CdSe的II-VI族组合，或I-VII族组合。12.根据前述权利要求中任一项所述的约瑟夫森结，其中所述超导体材料和/或所述第一面层是诸如Al的金属。13.根据前述权利要求中任一项所述的约瑟夫森结，其中所述超导体材料和/或所述第一面层选自以下群组：Al、Ca、Ni、Cu、Kr、Sr、Rh、Pd、Ag、Ce、Yb、Ir、Pt、Au、Pb、Ac、Th、Li、Na、K、V、Cr、Fe、Rb、Nb、Mo、Cs、Ba、Eu、Ta和W。14.根据前述权利要求中任一项所述的约瑟夫森结，其中所述结晶半导体纳米结构的横截面为提供总共四个侧面的正方形，或提供总共六个侧面的六边形。15.根据前述权利要求中任一项所述的约瑟夫森结，还包括覆盖所述第一面层的至少一部分的超导体材料的第二面层。16.根据前述权利要求15中任一项所述的约瑟夫森结，其中所述第二面层具有不与所述半导体纳米结构的结晶结构外延匹配或者不与所述第一面层的结晶结构外延匹配的结晶结构。17.根据前述权利要求15至16中任一项所述的约瑟夫森结，其中所述第二面层的材料的临界温度高于所述第一面层的临界温度。18.根据前述权利要求15至17中任一项所述的约瑟夫森结，其中所述半导体纳米结构的结晶结构与所述第一面层之间的外延匹配被配置为在所述半导体纳米结构中引入具有所述第二面层的超导性质的超导体硬间隙。19.根据前述权利要求15至18中任一项所述的约瑟夫森结，其中所述第一面层的厚度小于20nm，或小于10nm，更优选地小于8nm，更优选地小于6nm，更优选地小于5nm。20.根据权利要求15至19中任一项所述的约瑟夫森结，还包括位于所述第一面层与所述第二面层之间的第三面层。21.根据前述权利要求20中任一项所述的约瑟夫森结，其中所述第三面层以惰性材料提供，诸如选自以下群组的惰性金属：金、铂、铱、钯、锇、银、铼和铑。22.根据前述权利要求20至2...

【专利技术属性】
技术研发人员：C·马卡斯，P·克罗格斯拉普，T·S·叶斯帕森，J·尼加德，K·彼得松，T·拉森，F·屈梅斯，
申请(专利权)人：哥本哈根大学，
类型：发明
国别省市：丹麦;DK