淺談超導(dǎo)量子比特封裝與互連技術(shù)的研究進(jìn)展

汪冰，劉俊夫，秦智晗，芮金城，湯文明

（1.合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，合肥 230009；2.中國電子科技集團(tuán)公司第四十三研究所微系統(tǒng)安徽省重點實驗室，合肥 230088）

1 引言

隨著經(jīng)典計算機的算力漸趨極限，量子計算機以極高的并行計算能力，被普遍認(rèn)為將引領(lǐng)新一代信息技術(shù)革命。量子計算機是一種基于量子力學(xué)相干疊加以及糾纏原理的新型計算體系，具有經(jīng)典計算機無法比擬的強大并行計算處理潛力。得益于當(dāng)今日益成熟的半導(dǎo)體與先進(jìn)封裝技術(shù)，超導(dǎo)量子計算機成為目前最有希望實現(xiàn)量子計算的方案之一[1]。

IBM 科學(xué)家提出“DiVincenzo 標(biāo)準(zhǔn)”，指出了實現(xiàn)量子計算所需的五大基本要素：1）一組可擴(kuò)展的、可良好表征的量子比特物理系統(tǒng)；2）可以將量子比特系統(tǒng)很好地初始化到一個確定的初態(tài)；3）足夠長的退相干時間——必須遠(yuǎn)大于門操作所需的時間；4）一組作用在量子比特系統(tǒng)上的通用量子門操作；5）能夠很好地測量所有量子比特的狀態(tài)[2-10]。超導(dǎo)量子比特是量子計算機物理層面的實現(xiàn)方法，本文重點論述了超導(dǎo)量子比特的封裝與互連技術(shù)進(jìn)展。

2 超導(dǎo)量子比特原理

超導(dǎo)量子計算機主要由超導(dǎo)量子比特、超導(dǎo)邏輯電路、微波控制電路、稀釋制冷機組成。其中，超導(dǎo)量子比特為核心物理器件，工作環(huán)境為量子極限絕對零度，電路設(shè)計為典型振蕩電路。超導(dǎo)量子比特由約瑟夫森結(jié)和電容組成[2-10]，一個約瑟夫森結(jié)在電路中可以等效為一個電感，電感值與結(jié)上的相位差有關(guān)，是一個非線性電感，約瑟夫森結(jié)的基本結(jié)構(gòu)及其等效電路如圖1 所示。超導(dǎo)量子比特的芯片工藝是在藍(lán)寶石襯底表面采用先進(jìn)微納手段制作鋁金屬化薄膜電路。

圖1 約瑟夫森結(jié)的基本結(jié)構(gòu)及其等效電路[9]

約瑟夫森結(jié)是構(gòu)建超導(dǎo)量子比特的絕佳材料——提供必要的能級分立性和非線性，同時保持超導(dǎo)無損特征。超導(dǎo)量子比特電路擁有類似天然原子的能級系統(tǒng)，被稱為“人工原子”。超導(dǎo)量子比特電路結(jié)構(gòu)[2-10]如圖2 所示。

圖2 超導(dǎo)量子比特電路結(jié)構(gòu)[10]

超導(dǎo)量子比特有3 種，分別是電荷比特、磁通比特和相位比特。主流方向采用的是改進(jìn)型的電荷量子比特，即Transmon 量子比特，其具有抗電荷噪聲強、頻率可調(diào)等優(yōu)點，退相干時間在40 μs 以上，比特門操作保真度達(dá)到99%以上。Xmon 量子比特結(jié)構(gòu)如圖3 所示，由一個交叉電容構(gòu)成、兩條獨立控制線控制，用于在X-Y-Z 方向旋轉(zhuǎn)量子狀態(tài)。2018 年，Google 宣布完成的72 比特超導(dǎo)量子計算芯片，展現(xiàn)了Xmon 構(gòu)型驚人的可擴(kuò)展性[11-18]。

圖3 Xmon 量子比特結(jié)構(gòu)[13]

3 超導(dǎo)量子比特封裝與互連

超導(dǎo)量子電路是由超導(dǎo)量子比特、量子比特操控線、讀出諧振腔、讀出線、耦合元件等元素組成的具有一定功能的量子器件。之所以稱之為“量子”電路，是因為其中的核心元件，包括量子比特、諧振腔、耦合器等都是量子化的[2-10]。

超導(dǎo)量子比特利用約瑟夫森結(jié)在超低溫環(huán)境下的非線性電路特性，構(gòu)建不同能級間距的能級態(tài)，并選擇其基態(tài)和第一激發(fā)態(tài)構(gòu)成二能級系統(tǒng)，采用共面波導(dǎo)諧振腔和定向耦合器控制。超導(dǎo)量子電路多粒子糾纏態(tài)的實現(xiàn)和維持是一件很難的事情，周圍環(huán)境的熱噪聲、電磁干擾都會影響量子糾纏態(tài)的相干時間和保真度[2-10]。

超導(dǎo)量子比特封裝與互連原理如圖4 所示，其中樣品盒即超導(dǎo)量子比特封裝。超導(dǎo)量子比特封裝安裝在稀釋制冷機內(nèi)部的中心冷盤，工作在超低溫環(huán)境（約10 mK），以降低環(huán)境噪聲對比特的影響。超導(dǎo)量子比特與稀釋制冷機通過超導(dǎo)量子比特封裝、同軸連接器以及超導(dǎo)線互聯(lián)，以實現(xiàn)對超導(dǎo)量子比特的控制及讀取。中電科43 所研制的超導(dǎo)量子比特封裝與互連樣機如圖5 所示。

圖4 超導(dǎo)量子比特封裝與互連原理

圖5 超導(dǎo)量子比特封裝與互連樣機

超導(dǎo)量子比特封裝采用諧振腔電路模型、無磁射頻同軸組件、超導(dǎo)多層基板以及3D 互連技術(shù)來實現(xiàn)，采用微波傳輸線構(gòu)建諧振腔可以很好地降低電荷噪聲對量子態(tài)的影響。中電科43 所針對超導(dǎo)量子比特易受環(huán)境噪聲影響、退相干時間短等問題，開展超導(dǎo)量子比特封裝電磁環(huán)境控制機理及低溫下封裝材料參數(shù)特性的研究，突破低溫環(huán)境下高密度封裝射頻傳輸線及端口間串?dāng)_抑制、封裝盒電磁噪聲屏蔽等難點，滿足延長超導(dǎo)量子比特退相干時間、提高量子門操控精度等目的。中電科43 所研制的20 比特芯片封裝上機測試結(jié)果如圖6 所示，其中圖6（a）中的能量弛豫時間為16.7 μs，圖6（b）中的退相干時間為15.4 μs，滿足超導(dǎo)量子比特封裝與互連需求。

圖6 20 比特芯片封裝上機測試結(jié)果

圖7 是中電科43 所研制的50 比特超導(dǎo)量子芯片封裝爆炸圖，其具有如下特征：（1）采用多層布線微波基板作為芯片載板，芯片與基板互連采用鋁絲楔形鍵合或銦凸點倒裝；（2）多層布線微波基板與高頻同軸連接器通過焊接或彈性壓接互連；（3）高頻同軸連接器與高頻超導(dǎo)線互連；（4）高頻超導(dǎo)線與稀釋制冷機互連。Google 的53 比特超導(dǎo)量子計算處理器如圖8 所示，其中芯片與封裝互連采用銦凸點倒裝。2021 年5 月8日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)發(fā)布的“祖沖之二號”超導(dǎo)量子處理器可操控66 位超導(dǎo)量子比特（如圖9 所示），它采用三維集成工藝手段實現(xiàn)[35]。超導(dǎo)量子比特與量子計算機互連[19-21]如圖10 所示。

圖7 50 比特超導(dǎo)量子芯片封裝爆炸圖

圖8 Google 的53 比特超導(dǎo)量子計算處理器

圖9“祖沖之二號”66 比特超導(dǎo)量子處理器[35]

圖10 超導(dǎo)量子比特與量子計算機互連

超導(dǎo)量子比特通過超導(dǎo)量子比特測控線路與量子計算機互連。超導(dǎo)量子比特測控線路主要由微波密封集成模塊、傳輸線集成模塊、微波熱沉集成模塊等組成，實現(xiàn)高真空氣密封接、高密度互連傳輸、低射頻傳輸損耗、高性能熱沉等多功能模塊集成。其中，微波密封集成模塊主要實現(xiàn)稀釋制冷機外部裝備（常溫環(huán)境）與稀釋制冷機內(nèi)部裝備（極低溫環(huán)境）之間的微波信號傳輸互連和稀釋制冷機內(nèi)部超低溫、高真空保持功能。傳輸線集成模塊主要實現(xiàn)制冷機內(nèi)部冷盤之間的微波信號傳輸互連功能。微波熱沉集成模塊主要是為了隔離高溫區(qū)熱噪聲，通過每一級熱沉集成模塊的隔離衰減，滿足超導(dǎo)量子比特工作在超低溫環(huán)境下的苛刻操作環(huán)境。

4 Osprey 超導(dǎo)量子比特三維集成封裝

三維集成封裝技術(shù)包括倒裝、微凸點、晶圓級封裝、介質(zhì)層、再布線層（RDL）、硅通孔（TSV）等，可極大提升電子系統(tǒng)的性能[22-33]。MIT Lincoln 實驗室于2018年發(fā)布的基于銦凸點倒裝的量子比特三維集成方案如圖11 所示，其采用銦凸點倒裝、鋁過孔TSV、超導(dǎo)剛?cè)峤Y(jié)合板等系統(tǒng)級封裝技術(shù)，實現(xiàn)3 個芯片集成封裝，且相互獨立互不干涉，對于量子比特的制備有很大的優(yōu)勢，可有效減少退相干現(xiàn)象[26]。

圖11 基于銦凸點倒裝的量子比特三維集成方案[26]

2022 年11 月，IBM Quantum 發(fā)布的433 超導(dǎo)量子比特Osprey 是迄今為止公開發(fā)布的最高位數(shù)超導(dǎo)量子計算機，其超導(dǎo)量子比特采用三維集成封裝與高密度互連技術(shù)。Osprey 超導(dǎo)量子比特封裝與互連如圖12 所示。超導(dǎo)量子比特封裝是超導(dǎo)量子比特與量子計算機互連的紐帶，如何在有限空間范圍內(nèi)實現(xiàn)433 超導(dǎo)量子比特的高質(zhì)量操控，重點在于研究三維集成封裝與互連、超導(dǎo)多層布線工藝、高密度微波傳輸線S 參數(shù)設(shè)計仿真優(yōu)化、系統(tǒng)級封裝熱管理等。Osprey 超導(dǎo)量子比特的核心技術(shù)是采用三維集成封裝[27]，圖13 為超導(dǎo)量子比特封裝迭代示意圖。

圖12 Osprey 超導(dǎo)量子比特封裝與互連

IBM 第一代超導(dǎo)量子比特的封裝由超導(dǎo)量子比特芯片和一塊印刷電路板組成，這種方案適用于環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即超導(dǎo)量子比特排列成環(huán)形。IBM 第二代封裝方案采用兩個獨立的芯片，通過倒裝焊互連，一個超導(dǎo)量子比特芯片位于中介層芯片之上，這個方案能夠?qū)⑽⒉ㄐ盘杺鬏數(shù)搅孔颖忍匦酒闹行摹Ｈ欢?，它要求所有的超?dǎo)量子比特控制線和讀出線都布線到芯片的外圍，并且金屬層之間沒有相互隔離，否則脆弱的超導(dǎo)量子比特易受到信號串?dāng)_而導(dǎo)致退相干。

Eagle、Osprey 是IBM 第三代封裝方案。與第二代超導(dǎo)量子比特封裝方案相同，它通過一個量子比特芯片凸點鍵合到一個中介層芯片，即2.5D 轉(zhuǎn)接板。不同的是，轉(zhuǎn)接板內(nèi)部添加了薄膜多層布線傳輸控制和讀出信號，該層與量子器件本身能很好地隔離，并將信號傳送到超導(dǎo)量子比特芯片。轉(zhuǎn)接板薄膜多層再布線由三層金屬層、各層之間的圖案化平面化電介質(zhì)以及連接金屬層的過孔組成，是與量子設(shè)備完全隔離的傳輸線。同時，在超導(dǎo)量子比特芯片和2.5D 轉(zhuǎn)接板上增加了襯底通孔，在超導(dǎo)量子比特和其他敏感的微波結(jié)構(gòu)之間建立孔柵——密集的通孔墻。如果它們之間的距離遠(yuǎn)小于一個波長，這些通孔就像法拉第籠一樣，可以防止電路元件之間的容性串?dāng)_。在中介層芯片中，這些通孔扮演著相同的角色，同時將微波信號從2.5D 轉(zhuǎn)接板上傳輸?shù)叫酒Ｒ虼?，Osprey 互連傳輸線規(guī)模提高了一倍，且串?dāng)_減少，超導(dǎo)量子比特糾纏態(tài)質(zhì)量大幅提升。

IBM 的目標(biāo)是到2025 年實現(xiàn)具有4000+超導(dǎo)量子比特的超導(dǎo)量子計算機系統(tǒng)，釋放超級計算能力并解決日益復(fù)雜的計算問題[28-30]，圖14 是IBM 給出的量子計算發(fā)展路線圖。

圖14 量子計算發(fā)展路線圖[28]

5 結(jié)束語

超導(dǎo)量子計算研究領(lǐng)域中，國外的IBM、Google、Intel 等商業(yè)巨頭處于領(lǐng)跑狀態(tài)，硬件技術(shù)比較成熟，已經(jīng)對個別量子算法進(jìn)行了小規(guī)模運算量的驗證。

國內(nèi)從事超導(dǎo)量子計算機的研發(fā)單位包括中國科學(xué)院物理研究所、南京大學(xué)、浙江大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、南方科技大學(xué)等，與國際頂尖量子科研機構(gòu)相比，仍存在差距。

面向我國超導(dǎo)量子計算機自主可控發(fā)展需求，針對mK 級低溫環(huán)境下工作可靠的高密度、低串?dāng)_、低環(huán)境噪聲超導(dǎo)量子比特封裝與互連的研究仍將繼續(xù)，本課題組依靠中電科43 所凸點倒裝焊、硅通孔、系統(tǒng)集成等先進(jìn)封裝工藝平臺優(yōu)勢，將持續(xù)研究超導(dǎo)量子比特三維集成封裝解決方案以及與外部稀釋制冷機測控線路的高密度互連方案，為“以量子為中心的超級計算機時代”的早日來臨提供工藝技術(shù)支撐。