量子集成电路(QICs)由基于In.75Ga0.25的平面和弹道约瑟夫森结(JJs)阵列组成,作为二维电子气体(2DEG)的演示。讨论了两种制造二维(2D)J和QIC的不同方法,然后演示了在亚开尔文温度下的量子传输测量。
为了在混合超导体半导体(S-Sm)结中形成相干量子传输,两种不同材料之间必须形成均匀的无障碍界面。具有高接口透明度的S-Sm结点将促进对诱导的硬超导间隙的观测,这是进入拓扑相(TPs)和观察外来准粒子(如Majorana零)的关键要求。模式 (MZM) 在混合系统中。因此,一个能够支持对T的观测并允许实现复杂和分支几何结构的材料平台在量子处理和计算科学技术中具有很高的要求。在这里,我们介绍了一个二维材料系统,并研究了作为混合量子集成电路(QIC)基础的半导体二维电子气体(2DEG)中的接近诱导超导性。2DEG 是一个 30 nm 厚的0.75Ga0.25作为量子井,埋在两个 In0.75Al0.25之间作为异构结构中的屏障。Niobium (Nb) 薄膜用作超导电极,形成 Nb- 在0.75Ga0.25As -Nb Josephson 结 (JJs), 对称、平面和弹道。使用两种不同的方法形成J和QIC。长结是光照制作的,但电子束光刻用于短结的制造。讨论了在磁场B存在/不存在时作为温度函数的相干量子传输测量。在两种器件制造方法中,在In0.75Ga0.25As 2DEG中观察到接近诱导超导特性。结果发现,短长度的e束岩石图案J能够观察到在更高的温度范围内诱导的超导间隙。可重复和清洁的结果表明,基于In0.75Ga0.25的2DJ和QIC混合型,作为量子井,可以成为实现真正复杂可扩展的电子和光子量子的有前途的材料平台电路和设备。
约瑟森结(JJ)是通过在两个超导体1之间夹层一层非超导(正常)材料而形成的。各种新型的量子电子和光子电路和设备可以基于JJs2,3,4,5,6,7,8, 9,10,11,12,13,14,15,16。其中,以半导体为非超导(正常)部件的JJ,或超导体半导体超导体(S-Sm-S)J,近年来在据称探测到具有异国情调的Majorana粒子后,备受关注。在超导体和半导体一维(1D)纳米线接口处零电荷17、18、19、20、2122.基于纳米线的混合装置仅限于纳米线的一维几何形状,并制造Y和/或T结构-马约拉纳编织的必要要求-是具有挑战性的22。纳米线的化学电位的微调,进入拓扑阶段,需要JJs与几个静电门,这造成了相当多的问题,复杂的设备制造纳米线。为了克服一维导线的可扩展性问题,二维(2D)材料平台非常可取。
在2D材料中,当电子被限制在半导体异构结构中的两种不同材料之间的接口时,二维电子气体(2DEG)平台形成,是最有希望的候选物22。2DEG 与超导体和成形混合 2D JJs 的结合为下一代可扩展量子系统(如拓扑量子处理和计算)的发展开辟了一条新途径。它们能支持相相相干量子传输,以及接近诱导超导性,具有高传输概率,这是拓扑相观测的基本要求。在这方面,我们在芯片上演示了 QIC,该芯片由弹道 2D JJ 阵列组成,可由 20 根导线控制。每个结有两个Nb电极作为超导部分,在0.75Ga0.25作为量子井在半导体异构结作为正常部分。晶圆可以很容易地形成复杂的结构和联网的QiC。
In0.75Ga0.25作为 2DEG 的优点包括:(i) 相对较大的g因子,(ii) 强 Rashba 自旋轨道耦合,(iii) 低电子有效质量,以及 (iv) 可以调整钠组合物,从而形成具有高接口透明度的J23,24,25。晶圆可以成长为高达 10 厘米的磁盘,允许制造数千个混合 2D JJ 和复杂的 QIC 网络,从而克服这些量子器件的可扩展性挑战。
我们讨论了两种不同的设备制造方法:对于器件1,一个电路,包括8个相同和对称J的长度850nm长和4μm宽度的图案,光刻23,24。设备 2 包括 8 个不同长度的交汇点。它们具有相同的宽度为 3 μm。J的图案是电子印刷25。在磁场不存在时,将介绍在低于开尔文温度范围内的传输测量值。片上 QIC 由 2D Nb- in0.75Ga0.25as -Nb JJ 组成的阵列。长结和短结分别在基温为40 mK和液体3 He冷却低温的稀释冰箱中测量,基本温度分别为300 mK。器件在 70 Hz 时具有 5 μV 的交流信号偏置,该信号叠加到结直流电压偏置上。双端标准锁定技术用于测量器件输出交流电流23、24、25。
演示了片上QIC,包括基于超导砷化钠(在0.75Ga0.25As)的成片式QIC。解决了混合 S-Sm 材料系统的两个重要挑战,如可扩展性和接口透明度。方案的两个关键步骤包括高质量和高流动性的增长在0.75Ga0.25作为半导体异质结构中的二维电子气体和接近诱导的超导性到2DEG讨论23,24,25。
Inin 0.75Ga0.25与 GaAs 基板中的阶梯级缓冲层一样,在超导体和半导体之间形成均匀和无障碍接口是这种混合 2D 量子电路的关键步骤发展。证明通过仔细蚀刻,溅射超导膜可以使高度透明的接触到In0.75Ga0.25作为量子井,从而检测半导体中的感应超导间隙23,24,25.
现有方法的意义是,在半导体增长后,2D混合J和电路实现技术不需要在MBE腔室中半导体上进行超导体的原位沉积。完成23,24,25 。另一个意义是,异质结构晶圆可以成长为直径达10厘米的台式,从而能够制造数千个混合2D结和电路,从而克服了混合S-Sm量子电路和设备的可扩展性挑战22,23,24,25.
量子井中的诱导超导性、SGS对二维结的差分电导率以及我们结中测量的相相相干弹道量子传输,强烈建议基于超导的混合二维结和电路0.75Ga0.25作为 2DEG 为可扩展的量子处理和计算技术提供了有前途的材料系统。我们的方法可能为量子技术开辟一条新道路,并有助于为开发片上拓扑量子电路铺平道路,以实现下一代量子处理器23、24、25。
The authors have nothing to disclose.
作者承认EPSRC的财政支持,授予MQIC。
CompactDAQ Chassis | National Instruments | NI cDAC-9178 | |
DSP Lock-in Amplifier | AMETEK 7265 | 190284-A-MNL-C | |
Dilution refrigerator | Blueforce | Buttom loaded fridge | |
Dilution refrigerator | Oxford | KelvinoxMX40 | Wet-fridge |
Diamond scriber MICROTEC | Karl Suss | HR 100 | |
Dektak Surface Profilometer | Veeco | 3ST | |
Evaporator | Edwards | AUTO 306 | |
Evaporator | Edwards | Coating system E306A | |
3He Cryostat | Oxford | ||
Photoresist Spinner | Headway Research Inc. | EC101DT-R790 | |
Matlab | |||
Mask Aligner | Karl Suss | MJB 3 | |
Source meter | Keithley | 2614B | |
Semiconducting heterostructure | MBE Veeco | Gen III system | MBE Grown wafers |
Wire Bonder | K&S | 4524 |