特許 7427021 縦型スーパーインダクタ・デバイス

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-01-25

(45)【発行日】2024-02-02

(54)【発明の名称】縦型スーパーインダクタ・デバイス

(51)【国際特許分類】

   H10N 60/12 20230101AFI20240126BHJP

   H10N 60/01 20230101ALI20240126BHJP

【ＦＩ】

H10N60/12 A

H10N60/01 J

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2021560676

(86)(22)【出願日】2020-03-25

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2022-06-16

(86)【国際出願番号】 EP2020058405

(87)【国際公開番号】W WO2020212105

(87)【国際公開日】2020-10-22

【審査請求日】2022-08-24

(31)【優先権主張番号】16/387,420

(32)【優先日】2019-04-17

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(73)【特許権者】

【識別番号】390009531

【氏名又は名称】インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーション

【氏名又は名称原語表記】ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ ＢＵＳＩＮＥＳＳ ＭＡＣＨＩＮＥＳ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ

【住所又は居所原語表記】Ｎｅｗ Ｏｒｃｈａｒｄ Ｒｏａｄ， Ａｒｍｏｎｋ， Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ １０５０４， Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ

(74)【代理人】

【識別番号】100112690

【弁理士】

【氏名又は名称】太佐 種一

(72)【発明者】

【氏名】サンドバーグ、マーティン

(72)【発明者】

【氏名】アディガ、ヴィヴェカンナンダ

(72)【発明者】

【氏名】トパログ、ラジット、オヌール

【審査官】上田 智志

(56)【参考文献】

【文献】欧州特許出願公開第０３２９６９３２（ＥＰ，Ａ１）

【文献】米国特許第０９４５５３９１（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】米国特許第０９３２４７６７（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】国際公開第２０１７／２１７９６１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】G. Filatrella et al.，Emission of radiation from square arrays of stacked Josephson junctions，Journal of Applied Physics，2001年08月21日，VOLUME 90, NUMBER 11，pp.5675-5679，DOI: 10.1063/1.1412576

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ１０Ｎ ６０／０１、６０／１２

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

フラクソニウム・キュービットであって、
基板、
前記基板の表面から垂直方向に延び、前記垂直方向に沿って直列に接続された第１のジョセフソン接合および第２のジョセフソン接合を含む第１の垂直積層、
前記基板の前記表面から前記垂直方向に延び、前記第１の垂直積層から離隔され、第３のジョセフソン接合を含む第２の垂直積層、ならびに
前記第１のジョセフソン接合、前記第２のジョセフソン接合、および前記第３のジョセフソン接合が直列に接続されるように、前記第１の垂直積層および前記第２の垂直積層を直列に接続する超電導コネクタ、
を備えたスーパーインダクタと、
前記スーパーインダクタの直列の前記第１のジョセフソン接合、前記第２のジョセフソ
ン接合、および前記第３のジョセフソン接合と並列に接続されるように、超電導ワイヤによって前記スーパーインダクタに接続されたシャント・ジョセフソン接合と、
を備えたフラクソニウム・キュービット。

【請求項2】

前記第１の垂直積層および前記第２の垂直積層がそれぞれ、少なくとも５つのジョセフソン接合を含む、請求項１に記載のフラクソニウム・キュービット。

【請求項3】

前記第１の垂直積層および前記第２の垂直積層が、同じ数のジョセフソン接合を有する、請求項１または２に記載のフラクソニウム・キュービット。

【請求項4】

前記第１の垂直積層および前記第２の垂直積層を接続する前記超電導コネクタが、前記基板の前記表面と平行な方向に延びる、請求項１ないし３のいずれか１項に記載のフラクソニウム・キュービット。

【請求項5】

前記第１の垂直積層と前記第２の垂直積層との間で、前記超電導コネクタの下側に配設された支持材料をさらに備えた、請求項１ないし４のいずれか１項に記載のフラクソニウム・キュービット。

【請求項6】

前記第１のジョセフソン接合、前記第２のジョセフソン接合、および前記第３のジョセフソン接合がそれぞれ、２つの超電導層間に配設されたトンネル障壁層を含む、請求項１ないし５のいずれか１項に記載のフラクソニウム・キュービット。

【請求項7】

前記スーパーインダクタが、
前記垂直方向に延び、前記垂直方向に沿って直列に接続された第４のジョセフソン接合および第５のジョセフソン接合を含む第３の垂直積層と、
前記基板の前記表面から前記垂直方向に延び、第６のジョセフソン接合を含む第４の垂直積層と、
前記第１のジョセフソン接合、前記第２のジョセフソン接合、前記第３のジョセフソン接合、前記第４のジョセフソン接合、前記第５のジョセフソン接合、および前記第６のジョセフソン接合が直列に接続されるように、前記第１の垂直積層および前記第２の垂直積層と直列に前記第３の垂直積層および前記第４の垂直積層を接続する超電導コネクタと、
をさらに備え、
前記スーパーインダクタの直列の前記第１のジョセフソン接合、前記第２のジョセフソン接合、前記第３のジョセフソン接合、前記第４のジョセフソン接合、前記第５のジョセフソン接合、および前記第６のジョセフソン接合と並列に接続されるように、前記シャント・ジョセフソン接合が、前記スーパーインダクタに接続された、請求項１に記載のフラクソニウム・キュービット。

【請求項8】

フラクソニウム・キュービットを製造する方法であって、
基板の表面から垂直方向に延び、前記垂直方向に沿って直列に接続された第１のジョセフソン接合および第２のジョセフソン接合を含む第１の垂直積層を前記基板上に形成することと、
前記基板の前記表面から前記垂直方向に延び、前記第１の垂直積層から離隔され、第３のジョセフソン接合を含む第２の垂直積層を前記基板上に形成することと、
前記第１のジョセフソン接合、前記第２のジョセフソン接合、および前記第３のジョセフソン接合が直列に接続されるように、前記第１の垂直積層および前記第２の垂直積層を直列に接続する超電導コネクタを形成して、スーパーインダクタを得ることと、
前記スーパーインダクタの直列の前記第１のジョセフソン接合、前記第２のジョセフソン接合、および前記第３のジョセフソン接合と並列に接続されるように、シャント・ジョセフソン接合を前記第１の垂直積層および前記第２の垂直積層に接続することと、
を含む、方法。

【請求項9】

量子コンピュータであって、
格納容器を備えた真空下の冷却システムと、
前記格納容器により規定された冷却真空環境内に含まれ、複数のフラクソニウム・キュービットを含むキュービット・チップと、
前記複数のフラクソニウム・キュービットのうちの選択された少なくとも１つに対する電磁エネルギーの移動および電磁エネルギーの受容を行うように前記冷却真空環境内に配置された複数の電磁導波路と、
を備え、
前記複数のフラクソニウム・キュービットがそれぞれ、
基板、
前記基板の表面から垂直方向に延び、前記垂直方向に沿って直列に接続された第１のジョセフソン接合および第２のジョセフソン接合を含む第１の垂直積層、
前記基板の前記表面から前記垂直方向に延び、前記第１の垂直積層から離隔され、第３のジョセフソン接合を含む第２の垂直積層、ならびに
前記第１のジョセフソン接合、前記第２のジョセフソン接合、および前記第３のジョセフソン接合が直列に接続されるように、前記第１の垂直積層および前記第２の垂直積層を直列に接続する超電導コネクタ、
を備えたスーパーインダクタと、
前記スーパーインダクタの直列の前記第１のジョセフソン接合、前記第２のジョセフソン接合、および前記第３のジョセフソン接合と並列に接続されるように、超電導ワイヤによって前記スーパーインダクタに接続されたシャント・ジョセフソン接合と、
を備えた、量子コンピュータ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、インダクタ・デバイスに関し、より詳細には、垂直方向に積層されたジョセフソン接合インダクタを有するスーパーインダクタ・デバイスに関する。

【0002】

一部の超電導量子用途（たとえば、フラクソニウム型量子ビットおよび進行波パラメトリック増幅器）においては、インダクタンスが大きい無損失インダクタが望ましい。このようなインダクタを製造する１つの方法は、ジョセフソン接合のアレイを使用することである。従来、これらのアレイは、平面構成となるように構成されている。ただし、ジョセフソン接合の数が増えると、平面アレイに必要な表面積が非常に大きくなる。

【発明の概要】

【0003】

本発明の一実施形態によれば、フラクソニウム・キュービットは、スーパーインダクタを備える。スーパーインダクタは、基板、および基板の表面から垂直方向に延び、垂直方向に沿って直列に接続された第１のジョセフソン接合および第２のジョセフソン接合を含む第１の垂直積層を備える。スーパーインダクタは、基板の表面から垂直方向に延び、第１の垂直積層から離隔された第２の垂直積層をさらに備える。第２の垂直積層は、第３のジョセフソン接合を含む。スーパーインダクタは、第１のジョセフソン接合、第２のジョセフソン接合、および第３のジョセフソン接合が直列に接続されるように、第１の垂直積層および第２の垂直積層を直列に接続する超電導コネクタを備える。このフラクソニウム・キュービットは、スーパーインダクタの直列の第１のジョセフソン接合、第２のジョセフソン接合、および第３のジョセフソン接合と並列に接続されるように、超電導ワイヤによってスーパーインダクタに接続されたシャント・ジョセフソン接合をさらに備える。

【0004】

本発明の一実施形態によれば、フラクソニウム・キュービットを製造する方法は、基板の表面から垂直方向に延び、垂直方向に沿って直列に接続された第１のジョセフソン接合および第２のジョセフソン接合を含む第１の垂直積層を基板上に形成することを含む。この方法は、基板の表面から垂直方向に延び、第１の垂直積層から離隔された第２の垂直積層を基板上に形成することをさらに含む。第２の垂直積層は、第３のジョセフソン接合を含む。この方法は、第１のジョセフソン接合、第２のジョセフソン接合、および第３のジョセフソン接合が直列に接続されるように、第１の垂直積層および第２の垂直積層を直列に接続する超電導コネクタを形成することと、スーパーインダクタの直列の第１のジョセフソン接合、第２のジョセフソン接合、および第３のジョセフソン接合と並列に接続されるように、シャント・ジョセフソン接合を第１の垂直積層および第２の垂直積層に接続することと、をさらに含む。

【0005】

本発明の一実施形態によれば、スーパーインダクタは、基板と、基板の表面から垂直方向に延び、垂直方向に沿って直列に接続された第１のジョセフソン接合および第２のジョセフソン接合を含む第１の垂直積層とを備える。このスーパーインダクタは、基板の表面から垂直方向に延び、第１の垂直積層から離隔された第２の垂直積層をさらに備える。第２の垂直積層は、第３のジョセフソン接合を含む。このスーパーインダクタは、第１、第２、および第３のジョセフソン接合が直列に接続されるように、第１および第２の垂直積層を直列に接続する超電導コネクタを備える。

【0006】

本発明の一実施形態によれば、量子コンピュータは、格納容器を備えた真空下の冷却システムと、格納容器により画定された冷却真空環境内に含まれるキュービット・チップとを備える。キュービット・チップは、複数のフラクソニウム・キュービットを含む。この量子コンピュータは、複数のフラクソニウム・キュービットのうちの選択された少なくとも１つに対する電磁エネルギーの移動および電磁エネルギーの受容を行うように冷却真空環境内に配置された複数の電磁導波路をさらに備える。複数のフラクソニウム・キュービットはそれぞれ、スーパーインダクタを備える。スーパーインダクタは、基板および基板の表面から垂直方向に延びた第１の垂直積層を備える。第１の垂直積層は、垂直方向に沿って直列に接続された第１のジョセフソン接合および第２のジョセフソン接合を含む。スーパーインダクタは、基板の表面から垂直方向に延び、第１の垂直積層から離隔された第２の垂直積層をさらに備える。第２の垂直積層は、第３のジョセフソン接合を含む。スーパーインダクタは、第１のジョセフソン接合、第２のジョセフソン接合、および第３のジョセフソン接合が直列に接続されるように、第１の垂直積層および第２の垂直積層を直列に接続する超電導コネクタを備える。各フラクソニウム・キュービットは、スーパーインダクタの直列の第１のジョセフソン接合、第２のジョセフソン接合、および第３のジョセフソン接合と並列に接続されるように、超電導ワイヤによってスーパーインダクタに接続されたシャント・ジョセフソン接合をさらに備える。

【0007】

本明細書に開示のデバイスおよび方法によれば、従来のジョセフソン接合アレイよりも大幅に小さな平面の表面積において、多くのジョセフソン接合を直列に接続可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1A】本発明の一実施形態に係る、少なくとも３つのジョセフソン接合を含むスーパーインダクタの模式図である。

【図1B】第１の垂直積層に２つのジョセフソン接合を含み、第２の垂直積層に２つのジョセフソン接合を含むスーパーインダクタの模式図である。

【図2】支持材料を具備するスーパーインダクタの模式図である。

【図3A】少なくとも５つのジョセフソン接合をそれぞれ含む第１の垂直積層および第２の垂直積層を有するスーパーインダクタの模式図である。

【図3B】４つの垂直積層を具備するスーパーインダクタの模式図である。

【図4】本発明の一実施形態に係る、フラクソニウム・キュービットの模式図である。

【図5】本発明の一実施形態に係る、フラクソニウム・キュービットを製造する方法を示したフローチャートである。

【図6】スーパーインダクタを形成するプロセスの模式図である。

【図7】スーパーインダクタを形成するプロセスの模式図である。

【図8】スーパーインダクタを形成するプロセスの模式図である。

【図9】スーパーインダクタを形成するプロセスの模式図である。

【図10】スーパーインダクタを形成するプロセスの模式図である。

【図11】スーパーインダクタを形成するプロセスの模式図である。

【図12】スーパーインダクタを形成するプロセスの模式図である。

【図13】スーパーインダクタを形成するプロセスの模式図である。

【図14】スーパーインダクタを形成するプロセスの模式図である。

【図15】スーパーインダクタを形成するプロセスの模式図である。

【図16】スーパーインダクタを形成するプロセスの模式図である。

【図17】スーパーインダクタを形成するプロセスの模式図である。

【図18】スーパーインダクタを形成するプロセスの模式図である。

【図19】スーパーインダクタを形成するプロセスの模式図である。

【図20】スーパーインダクタを形成するプロセスの模式図である。

【図21】本発明の一実施形態に係る、量子コンピュータの模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

図１Ａは、本発明の一実施形態に係る、スーパーインダクタ１００の模式図である。スーパーインダクタ１００は、基板１０２および基板１０２の表面１０６から垂直方向Ｄに延びた第１の垂直積層１０４を具備する。第１の垂直積層１０４は、垂直方向Ｄに沿って直列に接続された第１のジョセフソン接合１０８および第２のジョセフソン接合１１０を含む。スーパーインダクタ１００は、基板１０２の表面１０６から垂直方向Ｄに延びた第２の垂直積層１１２を具備する。第２の垂直積層１１２は、第３のジョセフソン接合１１４を含む。第２の垂直積層１１２は、第１の垂直積層１０４から離隔されている。

【0010】

スーパーインダクタ１００は、第１のジョセフソン接合１０８、第２のジョセフソン接合１１０、および第３のジョセフソン接合１１４が直列に接続されるように、第１および第２の垂直積層１０４、１１２を直列に接続する超電導コネクタ１１８を具備する。

【0011】

いくつかの実施形態において、この上部接続は、２つの垂直積層をシャントする必要がない。両垂直積層は、たとえばトンネル障壁終端を有し得るが、トンネル障壁に限定されず、また、上部からシャント可能である。これにより、２つのインダクタがさらに直列で追加されることになる。本実施形態は、製造の柔軟性をいくらか高め得る。

【0012】

図１Ｂは、本発明の一実施形態に係る、スーパーインダクタ１３２の模式図である。図１Ａに示す特徴のほか、スーパーインダクタ１３２の第２の垂直積層１１２は、垂直方向Ｄに沿って第３のジョセフソン接合１１４と直列に接続された第４のジョセフソン接合１１６を含む。超電導コネクタ１１８は、第１のジョセフソン接合１０８、第２のジョセフソン接合１１０、第３のジョセフソン接合１１４、および第４のジョセフソン接合１１６が直列に接続されるように、第１および第２の垂直積層１０４、１１２を直列に接続する。

【0013】

垂直方向Ｄは、基板１０２の表面１０６と実質的に垂直であってもよい。垂直方向Ｄは、基板１０２の表面１０６と厳密に垂直であってもよいし、基板１０２の表面１０６と略垂直であってもよい。本発明の一実施形態によれば、たとえば図１Ｂに示すように、第１の垂直積層１０４および第２の垂直積層１１２は、同じ数のジョセフソン接合を有する。本発明の一実施形態によれば、第１および第２の垂直積層１０４、１１２を接続する超電導コネクタ１１８は、基板１０２の表面１０６と実質的に平行な方向に延びている。本発明の一実施形態によれば、第１、第２、第３、および第４のジョセフソン接合はそれぞれ、２つの超電導層間に配設されたトンネル障壁層を具備する。たとえば、図１Ａにおいて、第２のジョセフソン接合１１０は、２つの超電導層１２２、１２４間に配設されたトンネル障壁層１２０を具備する。第３のジョセフソン接合１１４は、２つの超電導層１２８、１３０間に配設されたトンネル障壁層１２６を具備する。各トンネル障壁層の高さは、たとえば約１ｎｍであってもよい。

【0014】

図２は、本発明の一実施形態に係る、スーパーインダクタ２００の模式図である。スーパーインダクタ２００は、図１Ａに示すスーパーインダクタ１００の特徴を含むとともに、第１および第２の垂直積層２０４、２０６間で、超電導コネクタ２０８の下側に配設された支持材料２０２をさらに具備する。支持材料２０２は、誘電体材料であってもよい。たとえば、支持材料２０２は、酸化ケイ素またはスピンオン・ガラスであってもよい。支持材料２０２は、たとえばエッチングによって容易に除去可能な誘電体材料であってもよい。

【0015】

垂直積層に少なくとも２つのジョセフソン接合を形成することにより、これら２つのジョセフソン接合が覆う基板の表面積は、横並びで形成される場合よりも小さくなる。さらに、積層当たりのジョセフソン接合の数をさらに増やす場合でも、表面積が犠牲にならない。たとえば、図３Ａは、少なくとも５つのジョセフソン接合をそれぞれ含む第１の垂直積層３０２および第２の垂直積層３０４を有するスーパーインダクタ３００の模式図である。第１の垂直積層３０２は、直列に接続された５つのジョセフソン接合３０６、３０８、３１０、３１２、３１４を含む。第２の垂直積層３０４は、直列に接続された５つのジョセフソン接合３１６、３１８、３２０、３２２、３２４を含む。超電導コネクタ３２６は、第１の垂直積層３０２中の５つのジョセフソン接合３０６、３０８、３１０、３１２、３１４および第２の垂直積層３０４中の５つのジョセフソン接合３１６、３１８、３２０、３２２、３２４が直列に接続されるように、第１および第２の垂直積層３０２、３０４を直列に接続する。

【0016】

図１Ａおよび図１Ｂとの比較として図３Ａに示すように、垂直積層当たり３つまたは４つのジョセフソン接合の追加によっても、基板３２８の表面上の第１および第２の垂直積層３０２、３０４の表面積は増加しない。本発明の一実施形態によれば、各垂直積層の表面積は、約１μｍ^２である。

【0017】

本発明の一実施形態によれば、第１の垂直積層および第２の垂直積層はそれぞれ、少なくとも２０個、５０個、１００個、または２００個のジョセフソン接合を含む。第１および第２の垂直積層が接続されている場合、スーパーインダクタは、直列に接続された４０個、１００個、２００個、または４００個のジョセフソン接合を含む。ここに記載するジョセフソン接合の数は、非限定的な例として提供している。第１および第２の垂直積層は、異なる数のジョセフソン接合を含むことも可能である。積層当たりのジョセフソン接合の数は、スーパーインダクタの所望のインダクタンスおよび個々のジョセフソン接合の形成に用いられる材料によって決まり得る。個々のジョセフソン接合のインダクタンスが大きくなると、所定の合計インダクタンスを満たすのに必要なジョセフソン接合の数が減る。

【0018】

本発明の一実施形態によれば、スーパーインダクタは、３つ以上の垂直積層を具備する。図３Ｂは、４つの垂直積層を具備するスーパーインダクタ３３０の模式図である。３つのジョセフソン接合３３６、３３８、３４０を含む第１および第２の垂直積層３３２、３３４のほか、スーパーインダクタ３３０は、垂直方向Ｄに延びた第３の垂直積層３４２を具備する。第３の垂直積層は、垂直方向Ｄに沿って直列に接続された第４のジョセフソン接合３４４および第５のジョセフソン接合３４６を含む。スーパーインダクタ３３０は、基板の表面から垂直方向Ｄに延びた第４の垂直積層３４８を具備する。第４の垂直積層３４８は、第６のジョセフソン接合３５０を含む。スーパーインダクタ３３０は、第１のジョセフソン接合３３６、第２のジョセフソン接合３３８、第３のジョセフソン接合３４０、第４のジョセフソン接合３４４、第５のジョセフソン接合３４６、および第６のジョセフソン接合３５０が直列に接続されるように、第３および第４の垂直積層３４２、３４８を第１および第２の垂直積層３３２、３３４と直列に接続する超電導コネクタ３５２、３５４を具備する。

【0019】

本発明の一実施形態によれば、スーパーインダクタがジョセフソン接合と並列に接続されて、フラクソニウム・キュービットを形成する。図４は、本発明の一実施形態に係る、フラクソニウム・キュービット４００の模式図である。フラクソニウム・キュービット４００は、スーパーインダクタ４０２を具備する。スーパーインダクタ４０２は、基板４０４および基板４０４の表面４０８から垂直方向Ｄに延びた第１の垂直積層４０６を具備する。第１の垂直積層４０６は、垂直方向に沿って直列に接続された第１のジョセフソン接合４１０および第２のジョセフソン接合４１２を含む。スーパーインダクタ４０２は、基板４０４の表面４０８から垂直方向Ｄに延びた第２の垂直積層４１４を具備する。第２の垂直積層４１４は、第３のジョセフソン接合４１６を含む。第２の垂直積層４１４は、第１の垂直積層４０６から離隔されている。スーパーインダクタ４０２は、第１のジョセフソン接合４１０、第２のジョセフソン接合４１２、および第３のジョセフソン接合４１６が直列に接続されるように、第１および第２の垂直積層４０６、４１４を直列に接続する超電導コネクタ４２０をさらに具備する。図４は６つのジョセフソン接合を含む一例であるが、本発明の一般概念は、このような特定の数に限定されない。他の実施形態においては、合計で７つ以上のジョセフソン接合が存在することも可能であるし、合計で５つ以下のジョセフソン接合が存在することも可能である。

【0020】

スーパーインダクタ４０２のほか、フラクソニウム・キュービット４００は、スーパーインダクタ４０２の直列の第１のジョセフソン接合４１０、第２のジョセフソン接合４１２、および第３のジョセフソン接合４１６と並列に接続されるように、超電導ワイヤ４２４、４２６によってスーパーインダクタ４０２に接続されたシャント・ジョセフソン接合４２２を具備する。フラクソニウム・キュービット４００は、図３Ｂに模式的に示したスーパーインダクタ３３０のように、３つ以上の垂直積層を有するスーパーインダクタを具備していてもよい。

【0021】

図５は、本発明の一実施形態に係る、フラクソニウム・キュービットを製造する方法５００を示したフローチャートである。なお、図５のステップの順序は、何ら限定的なものではない。たとえば、いくつかの実施形態においては、図５の最後に現れるステップを最初のステップにすることも可能である。方法５００は、基板の表面から垂直方向に延びた第１の垂直積層を基板上に形成すること５０２を含む。第１の垂直積層は、垂直方向に沿って直列に接続された第１のジョセフソン接合および第２のジョセフソン接合を含む。方法５００は、基板の表面から垂直方向に延びた第２の垂直積層を基板上に形成すること５０４をさらに含む。第２の垂直積層は、第３のジョセフソン接合を含む。第２の垂直積層は、第１の垂直積層から離隔されている。方法５００は、第１、第２、および第３のジョセフソン接合が直列に接続されるように、第１および第２の垂直積層を直列に接続する超電導コネクタを形成すること５０６をさらに含む。方法５００は、スーパーインダクタの直列の第１、第２、および第３のジョセフソン接合と並列に接続されるように、シャント・ジョセフソン接合を第１および第２の垂直積層に接続すること５０８をさらに含む。

【0022】

本発明の一実施形態によれば、形成するプロセスは、全体として除去ステップを伴う付加プロセスである。図６～図２０は、本発明の一実施形態に係る、スーパーインダクタの形成に使用可能な付加プロセスの模式図である。図６～図２０においては、同様の参照番号が同じ特徴を表す（たとえば、図６の参照番号６００および図７の７００はともに、基板を表す）。

【0023】

図６に示すように、スーパーインダクタを製造するため、超電導材料が基板６００上に形成される。第１の部分６０２および第１の部分６０２から離隔された第２の部分６０４を有するように、マスク・シャドー蒸着技術の使用によって、超電導材料を適用するようにしてもよい。本発明の一実施形態によれば、第１の部分６０２は、第２の部分６０４から約１μｍだけ離隔されている。基板６００は、たとえばシリコン基板であってもよいが、本発明の実施形態はシリコン基板に限定されない。超電導材料は、たとえばニオブであってもよいし、量子コンピューティング用途に適した如何なる超電導材料であってもよい。

【0024】

図７に示すように、超電導材料の第１の部分７０２および第２の部分７０４が形成されたら、第１の部分７０２、第２の部分７０４、および基板７００上にレジスト７０６をスピン塗布して焼成することができる。レジストは、たとえば紫外線フォトレジストであってもよいし、電子ビーム・レジストであってもよい。その後、図８に示すように、レジストのパターニングによって、２つの孔８０８、８０９を形成することができる。

【0025】

図８に示すパターニングの追加または代替として、レジストのイオン・ミリングにより、逆プロファイルを形成することも可能である。図９は、イオン・ミリングにより形成された孔９０８、９０９を示している。孔９０８、９０９は、レジスト９０６の上面よりも、超電導材料の第１の部分９０２および第２の部分９０４の上面において広くなっている。逆プロファイルによって、製造プロセスの後で行うレジストの除去が容易化され得る。

【0026】

図１０は、トンネル障壁層１０１０の堆積を示している。トンネル障壁層１０１０は、超電導材料の第１の部分１００２および第２の部分１００４の上に形成されている。トンネル障壁層１０１０は、誘電体材料であってもよい。たとえば、トンネル障壁層１０１０は、酸化アルミニウム等の酸化物であってもよい。あるいは、トンネル障壁層１０１０は、材料の堆積によって形成する代わりに、超電導材料の第１の部分９０２および第２の部分９０４の上面を酸素に曝露して酸化物を形成することにより、形成されるようになっていてもよい。本発明の一実施形態によれば、トンネル障壁層１０１０の厚さは、約０．５ｎｍ～１．５ｎｍである。本発明の一実施形態によれば、トンネル障壁層１０１０の厚さは、約１ｎｍである。

【0027】

図１１に示すように、トンネル障壁層１１１０が形成されたら、超電導材料の層１１１２がトンネル障壁層上に形成される。第１の部分１１０２、トンネル障壁層１１１０、および超電導材料１１１２の組み合わせが第１のジョセフソン接合を構成する。同様に、第２の部分１１０４、トンネル障壁層１１１０、および超電導材料１１１２の組み合わせが第２のジョセフソン接合を構成する。本発明の一実施形態に係る超電導材料１１１２の厚さは、約３０～３５ｎｍであってもよい。本発明の一実施形態によれば、レジスト１００６の厚さは、約１μｍであるため、トンネル障壁および超電導材料の多くの交互層を孔１１０８、１１０９の内部に形成可能である。本発明の一実施形態によれば、レジスト１００６の厚さは、１μｍよりも大きい。

【0028】

図１２は、たとえば堆積または酸素曝露による付加的なトンネル障壁層１２１４および付加的な超電導材料の層１２１６の形成の結果を示している。超電導材料１２１２、トンネル障壁層１２１４、および超電導材料１２１６の組み合わせが各垂直積層における付加的なジョセフソン接合を構成する。付加的なジョセフソン接合は、トンネル障壁および超電導材料の層を交互に形成することにより追加されるようになっていてもよい。

【0029】

このプロセスは、レジストのリフトオフが続き、その結果として、図１３に示す構造が得られる。この構造は、２つの垂直積層１３１８、１３２０を含む。これら垂直積層の少なくとも一方が２つ以上のジョセフソン接合を含む。いくつかの実施形態によれば、各垂直積層は、少なくとも５つ、２０個、５０個、または１００個のジョセフソン接合を含む。第１および第２の垂直積層は、同じ数のジョセフソン接合を含んでいてもよい。あるいは、第１および第２の垂直積層は、異なる数のジョセフソン接合を含んでいてもよい。

【0030】

レジストが除去されると、図１４に示すように、新たなレジスト層１４２２が堆積され、焼成される。その後、図１５に示すように、パターニングによって、２つの垂直積層１５１８、１５２０間の基板１５００を曝露させる。その後、このプロセスは、図１６に示すように、２つの垂直積層１６１８、１６２０間に酸化物または犠牲材料１６２４を堆積させることを含む。酸化物または犠牲材料１６２４は、２つの垂直積層１６１８、１６２０間のトンネリングを防止するのに十分な幅である。酸化物または犠牲材料１６２４は、後で形成される超電導コネクタの支持材料として作用する。酸化物または犠牲材料１６２４が堆積されたら、レジスト１６２２を除去可能である。結果としての構造を図１７に示す。

【0031】

その後、このプロセスは、２つの垂直積層１８１８、１８２０を直列に接続する超電導コネクタを形成することを含む。超電導コネクタの堆積の前に、レジスト１８２６の堆積、焼成、およびその後のエッチングによって、図１８に示すように、酸化物または犠牲材料１８２４および２つの垂直積層１８１８、１８２０の最上超電導層を曝露させる孔１８２８を形成する。

【0032】

図１９に示すように、レジスト１９２６中の孔１９２８に超電導材料の層１９３０が堆積される。超電導材料１９３０は、２方向蒸着により堆積されることができるが、本発明の実施形態は、超電導材料１９３０の２方向蒸着に限定されない。超電導材料１９３０は、２つの垂直積層１９１８、１９２０の最上超電導層に接触する。さらに、超電導材料１９３０は、第１の垂直積層１９１８のジョセフソン接合を第２の垂直積層１９２０のジョセフソン接合と直列に接続する。本発明の一実施形態によれば、超電導材料１９３０は、基板１９００の表面と実質的に平行な方向に延びている。

【0033】

このプロセスは、レジスト１９２６を除去することをさらに含み、その結果として、図２０に示すスーパーインダクタ２０３２が得られる。図２０のスーパーインダクタ２０３２は酸化物または犠牲材料２０２４を含むが、このプロセスは、酸化物または犠牲材料２０２４をエッチング除去することをさらに含んでいてもよく、その結果として、図１Ａに示すスーパーインダクタ１００に類似のスーパーインダクタが得られ、超電導材料の層２０３０が２つの垂直積層２０１８、２０２０のみで支持されている。

【0034】

図２１は、本発明の一実施形態に係る、量子コンピュータ２１００の模式図である。量子コンピュータ２１００は、格納容器２１０２を含む真空下の冷却システムを具備する。また、量子コンピュータ２１００は、格納容器２１０２により規定された冷却真空環境内に含まれるキュービット・チップ２１０４を具備する。キュービット・チップ２１０４は、複数のフラクソニウム・キュービット２１０６、２１０８、２１１０を含む。フラクソニウム・キュービット２１０６、２１０８、２１１０はそれぞれ、別個の基板を具備していてもよいし、キュービット・チップ２１０４上に形成され、そのキュービット・チップ２１０４が共有基板として作用するようになっていてもよい。また、量子コンピュータ２１００は、複数のフラクソニウム・キュービット２１０６、２１０８、２１１０のうちの選択された少なくとも１つに対する電磁エネルギーの移動および電磁エネルギーの受容を行うように冷却真空環境内に配置された複数の電磁導波路２１１２、２１１４を具備する。図２１に示すように、電磁導波路２１１２、２１１４は、キュービット・チップ２１０４上に形成されていてもよい。

【0035】

フラクソニウム・キュービット２１０６、２１０８、２１１０はそれぞれ、本明細書に記載の縦型構造を有していてもよい。フラクソニウム・キュービット２１０６、２１０８、２１１０の縦型構造は、従来のアレイよりも設置面積を大幅に縮小する。この製造は、従来の超電導回路技術と両立する。垂直積層は、従来の方向性蒸着接合よりも優れた品質および低い損失を有し得るエピタキシャル積層に基づいて、アレイを製造可能とする。

【0036】

以上、例示を目的として本発明の種々の実施形態を説明したが、これらは、何ら網羅的でもなければ、開示の実施形態に限定されることを意図したものでもない。当業者には、添付の特許請求の範囲に規定されるような本発明の範囲から逸脱することなく、多くの改良および変形が明らかとなるであろう。本明細書に使用の専門用語は、実施形態の原理、実際の適用、もしくは市場に見られる技術の技術的改良の最良の説明のため、または、本明細書に開示の実施形態の当業他者による理解を可能にするために選定したものである。

【図1A】

【図1B】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】