「本源量子计算」在超净间中制造超导量子处理器量子计算已经成为过去十年最热门的研究

量子计算已经成为过去十年最热门的研究领域之一，从创造量子算法到发展硬件设备，研究人员在这个新计算机堆栈的所有层上都付出了很多努力。最近，硬件设备的发展遭遇瓶颈，量子比特数量的增长变得困难，而且样本也很难大规模复制。在这篇文章中，我们将讨论制造超导量子处理器的方法和困难。
量子计算机芯片是一种集成电路。集成电路产业和所有相关产业，例如微型系统/MEMS ，太阳能电池，平板显示器和光电，都依赖于精密加工技术。在晶片平面内，采用精密加工技术制造的结构的典型尺寸约为1μm（范围从0.1μm到100μm），而垂直维度从原子层厚度(0.1nm)到几百微米，典型值在10nm和1μm之间。
【「本源量子计算」在超净间中制造超导量子处理器】

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图1.1Comparisonofscales
纳米技术是精密加工技术的延伸产物。其中一些工具仍然相同，例如电子束光刻机，它们是在纳米技术一词被创造出之前就用来设计纳米级结构的。此外，其中某些研究方法也需基于扫描探针设备，例如原子力显微镜（AFM），这是用于微结构表征的重要工具。低至原子层厚度的薄膜在精密加工领域沉积了数十年。纳米技术人员已经引进了新型的镀膜方法，如自组装单层膜(SAMs) ，其中一些技术目前正在由已建立的精密加工团队进行研究，作为继续缩小微结构的工具。

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图1.2:Alltheinvolvedmicrotechnologyfields
微米级的结构很容易被周围的粒子破坏。此外，光刻是精细的，并且容易被环境中的机械振动或温度和湿度的波动而破坏。因此，微细加工是在严格控制的条件下进行的，以达到所需的颗粒纯度。此外，环境温度、湿度和振动都受到严格控制。最初，无尘室是解决颗粒污染的一种方法。后来，温度和湿度的波动也被认为是对光刻有害的，为了提高光刻的可重复性，对温度和湿度波动的控制被添加到洁净室设备中。多年来，洁净室还增加了其他功能，现代洁净室是一套设施系统，确保在非常稳定的环境条件下进行无污染处理。
有几种方法可以确保此类条件。在图1.3中，显示了两种洁净室设计：要么可以在本地放置高效过滤器（右），要么100％覆盖（左），以提供更高的洁净度和层流（单向）气流。
洁净室环境，工艺气体，去离子水和湿化学药品中的粒度分布都具有相同的基本特征：如果将检测阈值大小减半，则可检测到四到八倍的颗粒。因此，如果最小线宽减半，则作为潜在杀手的粒子数量将增加四到八倍。
晶圆片在加工过程中会得到清洁：每个晶圆片在制造过程中都会使用数百升超纯水（去离子水， DIW）。这是粒子清洁的动态部分，而被动部分则来自用于洁净室墙壁，地板和天花板的材料，其中还包括密封剂和油漆，加工设备，晶圆储存盒和所有相关工具等。

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图1.3:(Left)high-efficiencyfilterand(right)high-efficiencyairfiltercleanroomdesign
我们从计算机行业了解到，微芯片的制造是一个脆弱而复杂的过程。而且即使在显微处理过程中格外小心以确保清洁度，某些设备也会始终存在缺陷。实际上，随着处理步骤数量的增加，产量成指数下降，为Y=Y_o^n ，其中Yo是单个处理步骤的产量， n是处理步骤的数量。假设每个单独的流程步骤有99%的收益率。例如，使用100个处理步骤(就像64kbit内存芯片的情况一样) ，总体的样本产量将为37% 。然而，对于一个500步的过程(16Mbit内存芯片的代表) ，相同的99%的收益率将导致总收益率小于1% 。由于拥有更大内存的芯片需要超过500个处理步骤，很明显， 99%的单个步骤产量对于现代内存制造来说是不够的。