高质量(T1,T2)量子比特制备 - 镀膜材料（钽膜）与工艺

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量子比特每一次激活是有“寿命”的我们通常用T1，T2对其进行描述，超导体系中通常都在微秒的程度，他们决定了可以执行量子门操作的有效时间，足够长的T1, T2也是未来能够实现量子纠错，实现通用量子计算的重要的条件。

差异与联系

物理所的夸父超导量子计算机Baihua(119可用量子比特+181个耦合器)的T1平均为75.83us，还有许多指标我们后期再从基准测试进行讨论

quafu.baqis.ac.cn

那么如何制备一枚高质量的超导量子芯片，我们这期除去设计和架构的因素仅从材料和工艺出发讨论

从材料与工艺来看主要限制T1,T2的因素介面材料损耗，主要是

1.材料介面上的缺陷和杂质，可能导致二能级系统形成损耗，和材料或者材料的氧化，吸附的污染物有关，二能级系统会进而引起能量耗散。

2. 镀膜界面过渡的损耗，如铝-氧化铝-铝，通过有限元分析确认主要能量集中在衬底和铝层之间的界面交接处，但是这种过渡的突变与不可控的氧化都会导致损耗

Surface participation and dielectric loss in superconducting qubits

具体表现可以在我们之前的谐振腔Q值(品质因子)反映超导量子芯片-谐振腔品质因子与s参数。实际制造出的样品介面谐振腔中能量震荡的次数通常不及模拟

那么近年在材料上比较有突破的主要就是尝试将镀膜材料换成钽，2020年普林斯顿组将铌的镀膜材料更换为钽，T1提升到300us，相较前一代有一个数量级的提升，因为过去2D的设计基本都在10-50us，简单换了镀膜材料有如此大的提升还是让人十分振奋的

New material platform for superconducting transmon qubits with coherence times exceeding 0.3 milliseconds

2021年北京量子院细化了替换镀膜为钽膜的实验补充了更多对照和实验参数，钽氧化物的缺陷密度低于铌和铝的氧化物，因而具有更低的损耗。优化的干法刻蚀工艺，制备的钽薄膜具有优良的超导特性和低损耗金属-空气界面，显著提高了量子比特的弛豫时间T1 提升到了500us

Transmon qubit with relaxation time exceeding 0.5 milliseconds

镀膜也称为薄膜沉积技术（coating）

可以从各个开放的微加工实验室了解使用器材，通常薄膜沉积技术分为化学气相沉积和物理气相沉积，区别在于有无反应，以物理所的超高真空多腔室电子束蒸发镀膜系统为例

1. 使用高能电子束轰击靶材表面，将其加热至气化或升华温度，靶材蒸发的原子或分子在真空环境中直线传播，沉积到基底上形成薄膜

2. 约瑟夫森结是一个多层薄膜的工艺，铝-氧化铝-铝，或者钽-氧化钽-钽，对氧化层的生长厚度控制有一定要求，多腔室中的氧化室可以实现氧化铝的生长(如果是极端精密要求还是需要使用原子沉积系统ALD来生长氧化铝)。

3. 离子铣室的倾角范围（-75° 到 75°）主要用于精确调整离子束的入射角，以支持复杂结构的加工、表面清洁和多层薄膜制备中的优化，匹配约瑟夫森结的双角度蒸发工艺