[发明专利]用离子注入法制造的具有电荷感测的马约拉纳费米子量子计算器件

说明书

通过在超导体层(410)上形成限定器件区和器件区内的感测区的第一抗蚀剂图案来制造量子计算器件。感测区内的超导体层被去除，从而暴露器件区外的底下半导体层(340)的区。对半导体层的暴露区进行注入，形成围绕器件区的隔离区(240，2150)。在注入之后使用蚀刻工艺，感测区和超导体层的器件区的邻近隔离区的部分被暴露。通过在感测区内沉积第一金属层形成隧道结栅极(204)。包括反射测量区内的第二金属的反射测量导线(202)被形成。纳米柱触点(206，212)使用器件区的感测区外的部分内的第二金属来形成。

技术领域

本发明总体涉及用于超导量子器件的超导体器件、制造方法和制造系统。更具体地，本发明涉及一种用离子注入法制造的具有电荷感测的马约拉纳费米子(Majoranafermion)量子计算器件的器件、方法和系统。

背景技术

在下文中，除非在使用时明确区分，否则单词或短语中的“Q”前缀指示在量子计算上下文中对该单词或短语的引用。

分子和亚原子粒子遵循量子力学的定律，量子力学是探索物理世界在基础水平如何工作的物理分支。在这个水平，粒子以奇怪的方式表现，同时呈现多于一个态，并且与非常远的其他粒子相互作用。量子计算利用这些量子现象来处理信息。

我们如今使用的计算机被称为经典计算机(本文也称为“传统”计算机或传统节点，或“CN”)。传统计算机使用传统的处理器，该处理器使用半导体材料和技术、半导体存储器和磁或固态存储设备来制造，这被称为冯诺依曼架构。特别地，传统计算机中的处理器是二进制处理器，即，对以1和0表示的二进制数据进行操作。

量子处理器(q-处理器)使用纠缠的量子位器件(在本文中被紧凑地称为“量子位”)的奇特性质来执行计算任务。在量子力学工作的特定领域，物质的粒子可以以多种态存在，例如“开”态、“关”态以及同时“开”和“关”态。在使用半导体处理器的二进制计算限于仅使用开和关态(等效于二进制码中的1和0)的情况下，量子处理器利用这些物质的量子态来输出可用于数据计算的信号。

传统计算机以比特对信息进行编码。每一比特可以取值1或0，这些1和0用作最终驱动计算机功能的开/关切换。另一方面，量子计算机基于量子位，量子位根据量子物理学的两个关键原理来操作：叠加和纠缠。叠加意味着每个量子位可以同时表示1和0。纠缠意味着叠加中的量子位可以以非经典方式彼此相关；即，其中一个量子位的态(为1或0或这两者)可以取决于另一个量子位的态，并且当两个量子位纠缠时，比起当它们被单独处理时，能够确定关于这两个量子位的更多的信息。

使用这两个原理，量子位作为更复杂的信息处理器来运行，能够使量子计算机以允许它们解决使用传统计算机难以处理的难题的方式来起作用。IBM已经成功地构建并证明了使用超导量子位的量子处理器的可操作性(IBM是国际商业机器公司在美国和其它国家的注册商标)

在超导状态下，首先，材料对电流的通过不产生阻力。当电阻降至零时，电流可以在材料内部循环而没有任何能量耗散。其次，该材料表现出迈斯纳(Meissner)效应，即，只要它们足够弱，外部磁场就不会穿透超导体，而是保留在其表面。当材料不再表现出这些性能中的一种或两种时，材料被称为处于正常状态并且不再超导。

超导材料的临界温度是材料开始表现出超导性特性的温度。超导材料对电流表现出非常低的电阻率或零电阻率。对于给定温度，临界磁场是材料在其下保持超导的最高磁场。

超导体通常分为两种类型之一。I型超导体在临界磁场表现出单一的转变。当达到临界磁场时，I型超导体从非超导状态转变为超导状态。II型超导体包括两个临界磁场和两个转变。位于或低于下临界磁场时，II型超导体呈现超导状态。高于上临界磁场时，II型超导体没有表现出超导性。在上临界磁场和下临界磁场之间，II型超导体呈现混合状态。在混合状态下，II型超导体表现出不完全的迈斯纳效应，即，外部磁场在特定位置处的经量子化的分组中穿透超导体材料。