一种量子芯片立体结构及其制作和封装方法技术

本申请公开了一种量子芯片立体结构及其制作和封装方法，该立体结构提供了一种新的立体制作和封装结构，解决了量子点的电极在二维平面上排布困难以及量子点的电极排布所需的平面面积过大的问题，降低了量子芯片立体结构的成本。此外，该立体结构的量子点之间的耦合均由第一通信结构和第二通信结构调控，实现了所有参数全电控和独立可调的目的，且量子芯片立体结构通过RF(Reflect‑Frequency，射频)测量电路对量子比特的状态进行读取，不再需要制作用于信号探测的量子点，节省了量子点数量，优化了量子点结构。进一步的，该立体结构使用超导谐振腔层和量子点耦合，解决了随量子点扩展时由于电极数目增多带来的排布不开的问题。

A three-dimensional structure of quantum chip and its fabrication and packaging method

【技术实现步骤摘要】
一种量子芯片立体结构及其制作和封装方法
本申请涉及量子
，更具体地说，涉及一种量子芯片立体结构及其制作和封装方法。
技术介绍
量子计算机(QuantumComputer)是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机。量子计算机被认为是后摩尔时代的必然产物，被认为在密码学、大数据、科学模拟、机器学习以及人工智能方面有着巨大的潜力。量子计算机的核心是量子处理器，也称作量子芯片。遵循量子力学的叠加态原理是构建量子比特的基础，基于半导体的栅极电控量子点是构造量子比特，进而构建半导体量子芯片来实现量子计算机芯片的一种可行性方案。半导体量子比特单元主要有三种基本类型：电子自旋的不同旋转方向、单个电子电荷的两个不同位置状态或者电荷与自旋的杂化量子态等。半导体栅极电控量子点制备工艺与传统的硅集成电路加工制造工艺完全兼容，在器件的参数设计及优化，以及器件的加工制备中能够得到精确地控制，具有较好的可扩展和集成性，被认为是最有希望实现量子计算机的方案之一。现有传统半导体栅极电控量子点构造的半导体量子芯片所包含的量子比特数还比较少，体积也比较小，可以将电极、微波线路、电荷探测集成在一块半导体基片表面，称之为二维结构。但随着对半导体量子比特的研究的深入，以及构建半导体量子计算机的要求，需要的量子比特数目逐渐增多，具体反映在半导体量子比特的电极数目增多，以及相应的电荷探测器的数目增加，导致线路之间的串扰严重、电极引线的排布不优等问题，进一步限制了量子比特的性质。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本申请提供了一种量子芯片立体结构及其制作和封装方法，以解决电极在二维平面上排布困难，阻碍量子点数目扩展的问题。为实现上述技术目的，本申请实施例提供了如下技术方案：一种量子芯片立体结构，包括：第一立体结构和第二立体结构；其中，所述第一立体结构包括依次层叠设置的量子点层、第一绝缘层和第一通信结构，其中，所述量子点层包括多个阵列排布的量子点；所述第一绝缘层用于隔离所述量子点层与所述第一通信结构；所述第一通信结构位于所述第一绝缘层之上，并部分结构与所述量子点层连接，用于将接收的第一直流电压、第二直流电压和第一高频微波信号传输至所述量子点层，并利用所述第一直流电压形成第一调控电场，利用所述第二直流电压形成第二调控电场，以利用所述第一高频微波信号操控所述量子点层中量子点的量子比特的状态，利用所述第一调控电场调控所述量子点之间的耦合强度，利用所述第二调控电场调控所述量子点内的载流子数目；和用于连接RF测量电路，以使所述RF测量电路通过所述第一通信结构向所述量子点层传输第一探测信号，并使所述RF测量电路根据反射的第一探测信号判断所述量子点层中量子比特的状态；所述第二立体结构包括依次层叠设置的超导谐振腔层和第二通信结构，其中，所述第二通信结构与所述量子点层和所述超导谐振腔层连接，用于实现所述超导谐振腔层和所述量子点层中的量子点的耦合，和用于将所述超导谐振腔层提供的第三直流电压传输给所述量子点层，以利用所述第三直流电压形成第三调控电场，并利用所述第三调控电场与所述第一调控电场和第二调控电场共同束缚形成量子点；所述超导谐振腔层还用于接收第二高频微波信号，以利用所述第二高频微波信号读取所述量子点层中量子比特的状态。可选的，所述量子点层包括中央区域和包围所述中央区域的边缘区域；所述边缘区域中还包括多个穿硅通孔和多个离子注入区；其中，所述多个穿硅通孔分布于所述边缘区域的四个端点位置，所述多个离子注入区分布于所述边缘区域的四条边上；所述多个阵列排布的量子点位于所述中央区域中，相邻两个所述量子点之间为可调耦合区域，所述多个量子点中，与所述离子注入区相邻的量子点为第一类量子点，与所述穿硅通孔相邻的量子点为第三类量子点，其他所述量子点为第二类量子点。可选的，所述量子点层还包括：多个微磁体；所述多个微磁体分布于所述多个量子点之间的缝隙中，或分布于所述多个穿硅通孔的缝隙中，或分布于所述多个离子注入区的缝隙中。可选的，所述第一通信结构包括：第一通讯线路层和第二通讯线路层；其中，所述第一通讯线路层与所述可调耦合区域连接，用于将接收的第一直流电压传输至所述可调耦合区域，并利用所述第一直流电压形成第一调控电场，以利用所述第一调控电场调控所述量子点之间的耦合强度；和用于连接RF测量电路，以使所述RF测量电路通过所述第一通信结构向所述量子点层传输第一探测信号，并使所述RF测量电路根据反射的第一探测信号判断所述量子点层中量子比特的状态；所述第二通讯线路层与所述量子点层连接，用于将接收的第二直流电压和第一高频微波信号传输给所述量子点层，并利用所述第二直流电压形成第二调控电场，以利用所述第一高频微波信号操控所述量子点层中量子比特的状态，利用所述第二调控电场调控所述量子点内的载流子数目。可选的，所述第一通讯线路层包括第一通讯线路A层和第一通讯线路B层；其中，所述第一通讯线路A层包括：第一表面引线、第一金属连接点、第一垂直电极和第一截止点，所述第一表面引线与所述量子点层所在平面平行，用于引出所述第一垂直电极，所述第一垂直电极的一端连接所述第一表面引线，另一端与第一方向延伸的可调耦合区域连接，所述第一表面引线与所述第一垂直电极的连接处为所述第一金属连接点，所述第一垂直电极与所述可调耦合区域的连接端为所述第一截止点；所述第一通讯线路B层包括：第二表面引线、第二金属连接点、第二垂直电极和第二截止点，所述第二表面引线与所述量子点层所在平面平行，用于引出所述第二垂直电极，所述第二垂直电极的一端连接所述第二表面引线，另一端与第二方向延伸的可调耦合区域连接，所述第二表面引线与所述第二垂直电极的连接处为所述第二金属连接点，所述第二垂直电极与所述可调耦合区域的连接端为所述第二截止点；所述第一通讯线路A层和第一通讯线路B层用于将接收的第一直流电压传输至所述量子点层，并利用所述第一直流电压形成第一调控电场，以利用所述第一调控电场调控所述量子点之间的耦合强度；还用于连接所述RF测量电路，以使所述RF测量电路通过所述第一通讯线路层向所述量子点层传输第一探测信号，并使所述RF测量电路根据反射的第一探测信号判断所述量子点层中量子比特的状态；所述第一方向与所述第二方向垂直。可选的，所述第二通讯线路层包括：第三表面引线、第三金属连接点、第三垂直电极和第三截止点，所述第三表面引线与所述量子点层所在平面平行，用于引出所述第三垂直电极，所述第三垂直电极的一端连接所述第三表面引线，另一端与所述量子点连接，所述第三表面引线与所述第三垂直电极的连接端为所述第三金属连接点，所述第三垂直电极与所述量子点层的连接端为所述第三截止点。可选的，所述第二通信结构包括：第三通讯线路和第四通讯线路；其中，所述第三通讯线路包括量子点连接电极、超导谐振腔连本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种量子芯片立体结构，其特征在于，包括：第一立体结构和第二立体结构；其中，/n所述第一立体结构包括依次层叠设置的量子点层、第一绝缘层和第一通信结构，其中，/n所述量子点层包括多个阵列排布的量子点；/n所述第一绝缘层用于隔离所述量子点层与所述第一通信结构；/n所述第一通信结构位于所述第一绝缘层之上，并部分结构与所述量子点层连接，用于将接收的第一直流电压、第二直流电压和第一高频微波信号传输至所述量子点层，并利用所述第一直流电压形成第一调控电场，利用所述第二直流电压形成第二调控电场，以利用所述第一高频微波信号操控所述量子点层中量子点的量子比特的状态，利用所述第一调控电场调控所述量子点之间的耦合强度，利用所述第二调控电场调控所述量子点内的载流子数目；和用于连接RF测量电路，以使所述RF测量电路通过所述第一通信结构向所述量子点层传输第一探测信号，并使所述RF测量电路根据反射的第一探测信号判断所述量子点层中量子比特的状态；/n所述第二立体结构包括依次层叠设置的超导谐振腔层和第二通信结构，其中，/n所述第二通信结构与所述量子点层和所述超导谐振腔层连接，用于实现所述超导谐振腔层和所述量子点层中的量子点的耦合，和用于将所述超导谐振腔层提供的第三直流电压传输给所述量子点层，以利用所述第三直流电压形成第三调控电场，并利用所述第三调控电场与所述第一调控电场和第二调控电场共同束缚形成量子点；/n所述超导谐振腔层还用于接收第二高频微波信号，以利用所述第二高频微波信号读取所述量子点层中量子比特的状态。/n...

【技术特征摘要】
1.一种量子芯片立体结构，其特征在于，包括：第一立体结构和第二立体结构；其中，
所述第一立体结构包括依次层叠设置的量子点层、第一绝缘层和第一通信结构，其中，
所述量子点层包括多个阵列排布的量子点；
所述第一绝缘层用于隔离所述量子点层与所述第一通信结构；
所述第一通信结构位于所述第一绝缘层之上，并部分结构与所述量子点层连接，用于将接收的第一直流电压、第二直流电压和第一高频微波信号传输至所述量子点层，并利用所述第一直流电压形成第一调控电场，利用所述第二直流电压形成第二调控电场，以利用所述第一高频微波信号操控所述量子点层中量子点的量子比特的状态，利用所述第一调控电场调控所述量子点之间的耦合强度，利用所述第二调控电场调控所述量子点内的载流子数目；和用于连接RF测量电路，以使所述RF测量电路通过所述第一通信结构向所述量子点层传输第一探测信号，并使所述RF测量电路根据反射的第一探测信号判断所述量子点层中量子比特的状态；
所述第二立体结构包括依次层叠设置的超导谐振腔层和第二通信结构，其中，
所述第二通信结构与所述量子点层和所述超导谐振腔层连接，用于实现所述超导谐振腔层和所述量子点层中的量子点的耦合，和用于将所述超导谐振腔层提供的第三直流电压传输给所述量子点层，以利用所述第三直流电压形成第三调控电场，并利用所述第三调控电场与所述第一调控电场和第二调控电场共同束缚形成量子点；
所述超导谐振腔层还用于接收第二高频微波信号，以利用所述第二高频微波信号读取所述量子点层中量子比特的状态。


2.根据权利要求1所述的量子芯片立体结构，其特征在于，所述量子点层包括中央区域和包围所述中央区域的边缘区域；
所述边缘区域中还包括多个穿硅通孔和多个离子注入区；其中，所述多个穿硅通孔分布于所述边缘区域的四个端点位置，所述多个离子注入区分布于所述边缘区域的四条边上；
所述多个阵列排布的量子点位于所述中央区域中，相邻两个所述量子点之间为可调耦合区域，所述多个量子点中，与所述离子注入区相邻的量子点为第一类量子点，与所述穿硅通孔相邻的量子点为第三类量子点，其他所述量子点为第二类量子点。


3.根据权利要求2所述的量子芯片立体结构，其特征在于，所述量子点层还包括：多个微磁体；
所述多个微磁体分布于所述多个量子点之间的缝隙中，或分布于所述多个穿硅通孔的缝隙中，或分布于所述多个离子注入区的缝隙中。


4.根据权利要求2所述的量子芯片立体结构，其特征在于，所述第一通信结构包括：第一通讯线路层和第二通讯线路层；其中，
所述第一通讯线路层与所述可调耦合区域连接，用于将接收的第一直流电压传输至所述可调耦合区域，并利用所述第一直流电压形成第一调控电场，以利用所述第一调控电场调控所述量子点之间的耦合强度；和用于连接RF测量电路，以使所述RF测量电路通过所述第一通信结构向所述量子点层传输第一探测信号，并使所述RF测量电路根据反射的第一探测信号判断所述量子点层中量子比特的状态；
所述第二通讯线路层与所述量子点层连接，用于将接收的第二直流电压和第一高频微波信号传输给所述量子点层，并利用所述第二直流电压形成第二调控电场，以利用所述第一高频微波信号操控所述量子点层中量子比特的状态，利用所述第二调控电场调控所述量子点内的载流子数目。


5.根据权利要求4所述的量子芯片立体结构，其特征在于，所述第一通讯线路层包括第一通讯线路A层和第一通讯线路B层；其中，
所述第一通讯线路A层包括：第一表面引线、第一金属连接点、第一垂直电极和第一截止点，所述第一表面引线与所述量子点层所在平面平行，用于引出所述第一垂直电极，所述第一垂直电极的一端连接所述第一表面引线，另一端与第一方向延伸的可调耦合区域连接，所述第一表面引线与所述第一垂直电极的连接处为所述第一金属连接点，所述第一垂直电极与所述可调耦合区域的连接端为所述第一截止点；
所述第一通讯线路B层包括：第二表面引线、第二金属连接点、第二垂直电极和第二截止点，所述第二表面引线与所述量子点层所在平面平行，用于引出所述第二垂直电极，所述第二垂直电极的一端连接所述第二表面引线，另一端与第二方向延伸的可调耦合区域连接，所述第二表面引线与所述第二垂直电极的连接处为所述第二金属连接点，所述第二垂直电极与所述可调耦合区域的连接端为所述第二截止点；
所述第一通讯线路A层和第一通讯线路B层用于将接收的第一直流电压传输至所述量子点层，并利用所述第一直流电压形成第一调控电场，以利用所述第一调控电场调控所述量子点之间的耦合强度...

【专利技术属性】
技术研发人员：李海欧，马荣龙，张鑫，曹刚，郭光灿，郭国平，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34