Кубит

Как создавался первый "российский" сверхпроводящий кубит?

На этой неделе мы стали свидетелями радостного события - совместными усилиями ученых из нескольких лабораторий был получен и измерен первый "российский" сверхпроводящий кубит! Надеемся, вы уже успели прочитать пару-тройку новостей по этой теме (если нет - смотрите здесь и здесь), поэтому сегодня мы хотим поподробней рассказать вам, как создавался этот сверхпроводящий кубит. Так как редакторы MakeItQuantum принимали непосредственное участие в этой работе, у вас есть уникальная возможность услышать об этом из первых уст!

Сверхпроводящий кубит.

Один из вариантов сверхпроводящего кубита. Взято из статьи Abdumalikov Jr, A. A. et al., Physical review b (2008)

Процесс создания (или, по-научному, фабрикации) экспериментального чипа со сверхпроводящими кубитами состоит из нескольких достаточно сложных этапов, о которых мы постараемся рассказать в нескольких наглядных картинках. Для изготовления различных элементов чипа используются две ключевые технологии: фотолитография и электронная литография. Говоря простым языком, литография - это способ "рисования" нужной нам схемы на поверхности чипа. При этом в фотолитографии для "рисования" (или засветки) используется узкий пучок света  (фотонов) от лазера, а в электронной литографии - пучок быстрых электронов. Минимальный размер элементов, которые можно нарисовать фотолитографией составляет около 1 микрометра (в 100 раз тоньше человеческого волоса!), а электронной литографией - до 10 нанометров (еще в 100 раз меньше!).

Конечно, для такого "рисования" подойдет не любой "холст", поэтому поверхность чипа покрывают специальной пленкой - резистом. При попадании фотонов или электронов на резист, в точке соударения резист меняет свои физико-химические свойства и становится легко удаляем другими специальными жидкостями - проявителями. Если вам показалось, что этот процесс вам что-то напоминает - вы не ошиблись, так же получаются фотографии с пленочных фотоаппаратов! Да, здесь еще стоит отметить, что для фото- и электронной литографии используются разные резисты, так как сложно подобрать вещество, чувствительное и к фотонам, и к электронам одновременно.

Что касается рабочей поверхности для нанесения пленки резиста, то здесь чаще всего используется кремний или сапфир. В нашей работе мы использовали пластинки кремния, которые затем разрезались на множество мелких чипов. Кстати говоря, похожие пластины кремния используются и для изготовления привычных всем процессоров!

Пластинка кремния, разрезанная на маленькие чипы.

Пластинка кремния, разрезанная на маленькие чипы. Источники изображений: http://kamertonpinsk.by/ , http://web.snauka.ru/issues/2011/12/5516

Разобравшись с базовыми понятиями, давайте рассмотрим процесс фотолитографии, используемый для получения "больших" элементов на чипе, который представлен на картинке ниже.

Процесс создания крупных элементов.

Оригинал взят из диссертации Martin Göppl http://dx.doi.org/10.3929/ethz-a-005816478

Все начинается с подготовки кремниевой пластины, на которую затем наносится слой фоторезиста. Дальше он засвечивается лазером на фотолитографе, чтобы получить на поверхности образца нужный "рисунок" электрической цепи, после чего пластина погружается в проявитель. Далее, на поверхность пластины наносится (напыляется) желаемый металл, в нашем случае это было золото. На последнем этапе с помощью специального растворителя мы убираем незасвеченный резист с поверхности образца, а вместе с ним уходит и все, что было на нем. Остается только напыленный непосредственно на поверхность кремниевой пластины металл.

После того, как сделаны крупные элементы чипа, можно переходить к меньшим масштабам, а именно изготовить сверхпроводящие кольца с джозефсоновскими переходами, которые и будут теми самыми заветными кубитами! Схематичный процесс изготовления этих структур можно увидеть на картинке ниже.

Процесс создания мелких элементов.

Оригинал взят из диссертации Martin Göppl http://dx.doi.org/10.3929/ethz-a-005816478

В отличие от предыдущего шага, здесь нам понадобится уже два слоя резиста, чтобы создать джозефсоновские переходы методом 2-х углового напыления. Нижний слой резиста поддерживает "маску", образованную верхним слоем, и создает "выемку" для напыляемого металла. Перед напылением резист засвечивается на электронном литографе, где пучком электронов рисуются заданные схемы (так, чтобы совместиться с уже сделанными большими элементами), и проявляется в соответствующем растворе проявителя. После того, как "маска" создана (рисунок d), происходит напыление металла (в нашем случае это был алюминий) под небольшим углом. Затем в камеру, где находится образец, напускается кислород, что приводит к образованию на поверхности алюминия оксида - необходимого для джозефсоновского перехода изолятора. Потом образец наклоняется в обратную сторону, и происходит еще одно напыление, но уже под другим углом. Благодаря такой технике создается наложение напыленных слоев алюминия, с прослойкой оксида алюминия между ними, что и дает нужный нам джозефсоновский переход. Типичные размеры переходов в наших кубитах составили сотни нанометров, что можно увидеть на следующей фотографии, сделанной на электронном микроскопе.

Джозефсоновские переходы в сверхпроводящем кубите.

Джозефсоновские переходы в сверхпроводящем кубите.

Вот лишь общие черты того непростого технологического процесса, который "с нуля" пришлось в короткие сроки освоить нашей команде! В связи с этим было бы откровенным преступлением не поблагодарить этих замечательных людей из Лаборатории искусственных квантовых систем (МФТИ), Центра коллективного пользования (МФТИ), Междисциплинарного центра фундаментальных исследований (МФТИ), Российского Квантового Центра, Института Физики Твердого Тела (Черноголовка) и лаборатории сверхпроводящих метаматериалов (МИСиС)!

Именно сотрудничество этих организаций и позволило, в конечном счете, создать и измерить первый российский сверхпроводящий кубит! Мы уверены, что дальнейшая совместная работа будет еще более плодотворной, а мы, в свою очередь, обязательно будем рассказывать вам о ней!

P.S. если вам понравилась статья, вступайте в наше сообщество Вконтакте, подписывайтесь на нас и рассказывайте друзьям!

Комментарии: