浅谈超导量子比特封装与互连技术的研究进展

汪冰，刘俊夫，秦智晗，芮金城，汤文明

（1.合肥工业大学材料科学与工程学院，合肥 230009；2.中国电子科技集团公司第四十三研究所微系统安徽省重点实验室，合肥 230088）

1 引言

随着经典计算机的算力渐趋极限，量子计算机以极高的并行计算能力，被普遍认为将引领新一代信息技术革命。量子计算机是一种基于量子力学相干叠加以及纠缠原理的新型计算体系，具有经典计算机无法比拟的强大并行计算处理潜力。得益于当今日益成熟的半导体与先进封装技术，超导量子计算机成为目前最有希望实现量子计算的方案之一[1]。

IBM 科学家提出“DiVincenzo 标准”，指出了实现量子计算所需的五大基本要素：1）一组可扩展的、可良好表征的量子比特物理系统；2）可以将量子比特系统很好地初始化到一个确定的初态；3）足够长的退相干时间——必须远大于门操作所需的时间；4）一组作用在量子比特系统上的通用量子门操作；5）能够很好地测量所有量子比特的状态[2-10]。超导量子比特是量子计算机物理层面的实现方法，本文重点论述了超导量子比特的封装与互连技术进展。

2 超导量子比特原理

超导量子计算机主要由超导量子比特、超导逻辑电路、微波控制电路、稀释制冷机组成。其中，超导量子比特为核心物理器件，工作环境为量子极限绝对零度，电路设计为典型振荡电路。超导量子比特由约瑟夫森结和电容组成[2-10]，一个约瑟夫森结在电路中可以等效为一个电感，电感值与结上的相位差有关，是一个非线性电感，约瑟夫森结的基本结构及其等效电路如图1 所示。超导量子比特的芯片工艺是在蓝宝石衬底表面采用先进微纳手段制作铝金属化薄膜电路。

图1 约瑟夫森结的基本结构及其等效电路[9]

约瑟夫森结是构建超导量子比特的绝佳材料——提供必要的能级分立性和非线性，同时保持超导无损特征。超导量子比特电路拥有类似天然原子的能级系统，被称为“人工原子”。超导量子比特电路结构[2-10]如图2 所示。

图2 超导量子比特电路结构[10]

超导量子比特有3 种，分别是电荷比特、磁通比特和相位比特。主流方向采用的是改进型的电荷量子比特，即Transmon 量子比特，其具有抗电荷噪声强、频率可调等优点，退相干时间在40 μs 以上，比特门操作保真度达到99%以上。Xmon 量子比特结构如图3 所示，由一个交叉电容构成、两条独立控制线控制，用于在X-Y-Z 方向旋转量子状态。2018 年，Google 宣布完成的72 比特超导量子计算芯片，展现了Xmon 构型惊人的可扩展性[11-18]。

图3 Xmon 量子比特结构[13]

3 超导量子比特封装与互连

超导量子电路是由超导量子比特、量子比特操控线、读出谐振腔、读出线、耦合元件等元素组成的具有一定功能的量子器件。之所以称之为“量子”电路，是因为其中的核心元件，包括量子比特、谐振腔、耦合器等都是量子化的[2-10]。

超导量子比特利用约瑟夫森结在超低温环境下的非线性电路特性，构建不同能级间距的能级态，并选择其基态和第一激发态构成二能级系统，采用共面波导谐振腔和定向耦合器控制。超导量子电路多粒子纠缠态的实现和维持是一件很难的事情，周围环境的热噪声、电磁干扰都会影响量子纠缠态的相干时间和保真度[2-10]。

超导量子比特封装与互连原理如图4 所示，其中样品盒即超导量子比特封装。超导量子比特封装安装在稀释制冷机内部的中心冷盘，工作在超低温环境（约10 mK），以降低环境噪声对比特的影响。超导量子比特与稀释制冷机通过超导量子比特封装、同轴连接器以及超导线互联，以实现对超导量子比特的控制及读取。中电科43 所研制的超导量子比特封装与互连样机如图5 所示。

图4 超导量子比特封装与互连原理

图5 超导量子比特封装与互连样机

超导量子比特封装采用谐振腔电路模型、无磁射频同轴组件、超导多层基板以及3D 互连技术来实现，采用微波传输线构建谐振腔可以很好地降低电荷噪声对量子态的影响。中电科43 所针对超导量子比特易受环境噪声影响、退相干时间短等问题，开展超导量子比特封装电磁环境控制机理及低温下封装材料参数特性的研究，突破低温环境下高密度封装射频传输线及端口间串扰抑制、封装盒电磁噪声屏蔽等难点，满足延长超导量子比特退相干时间、提高量子门操控精度等目的。中电科43 所研制的20 比特芯片封装上机测试结果如图6 所示，其中图6（a）中的能量弛豫时间为16.7 μs，图6（b）中的退相干时间为15.4 μs，满足超导量子比特封装与互连需求。

图6 20 比特芯片封装上机测试结果

图7 是中电科43 所研制的50 比特超导量子芯片封装爆炸图，其具有如下特征：（1）采用多层布线微波基板作为芯片载板，芯片与基板互连采用铝丝楔形键合或铟凸点倒装；（2）多层布线微波基板与高频同轴连接器通过焊接或弹性压接互连；（3）高频同轴连接器与高频超导线互连；（4）高频超导线与稀释制冷机互连。Google 的53 比特超导量子计算处理器如图8 所示，其中芯片与封装互连采用铟凸点倒装。2021 年5 月8日，中国科学技术大学发布的“祖冲之二号”超导量子处理器可操控66 位超导量子比特（如图9 所示），它采用三维集成工艺手段实现[35]。超导量子比特与量子计算机互连[19-21]如图10 所示。

图7 50 比特超导量子芯片封装爆炸图

图8 Google 的53 比特超导量子计算处理器

图9“祖冲之二号”66 比特超导量子处理器[35]

图10 超导量子比特与量子计算机互连

超导量子比特通过超导量子比特测控线路与量子计算机互连。超导量子比特测控线路主要由微波密封集成模块、传输线集成模块、微波热沉集成模块等组成，实现高真空气密封接、高密度互连传输、低射频传输损耗、高性能热沉等多功能模块集成。其中，微波密封集成模块主要实现稀释制冷机外部装备（常温环境）与稀释制冷机内部装备（极低温环境）之间的微波信号传输互连和稀释制冷机内部超低温、高真空保持功能。传输线集成模块主要实现制冷机内部冷盘之间的微波信号传输互连功能。微波热沉集成模块主要是为了隔离高温区热噪声，通过每一级热沉集成模块的隔离衰减，满足超导量子比特工作在超低温环境下的苛刻操作环境。

4 Osprey 超导量子比特三维集成封装

三维集成封装技术包括倒装、微凸点、晶圆级封装、介质层、再布线层（RDL）、硅通孔（TSV）等，可极大提升电子系统的性能[22-33]。MIT Lincoln 实验室于2018年发布的基于铟凸点倒装的量子比特三维集成方案如图11 所示，其采用铟凸点倒装、铝过孔TSV、超导刚柔结合板等系统级封装技术，实现3 个芯片集成封装，且相互独立互不干涉，对于量子比特的制备有很大的优势，可有效减少退相干现象[26]。

图11 基于铟凸点倒装的量子比特三维集成方案[26]

2022 年11 月，IBM Quantum 发布的433 超导量子比特Osprey 是迄今为止公开发布的最高位数超导量子计算机，其超导量子比特采用三维集成封装与高密度互连技术。Osprey 超导量子比特封装与互连如图12 所示。超导量子比特封装是超导量子比特与量子计算机互连的纽带，如何在有限空间范围内实现433 超导量子比特的高质量操控，重点在于研究三维集成封装与互连、超导多层布线工艺、高密度微波传输线S 参数设计仿真优化、系统级封装热管理等。Osprey 超导量子比特的核心技术是采用三维集成封装[27]，图13 为超导量子比特封装迭代示意图。

图12 Osprey 超导量子比特封装与互连

IBM 第一代超导量子比特的封装由超导量子比特芯片和一块印刷电路板组成，这种方案适用于环形拓扑结构，即超导量子比特排列成环形。IBM 第二代封装方案采用两个独立的芯片，通过倒装焊互连，一个超导量子比特芯片位于中介层芯片之上，这个方案能够将微波信号传输到量子比特芯片的中心。然而，它要求所有的超导量子比特控制线和读出线都布线到芯片的外围，并且金属层之间没有相互隔离，否则脆弱的超导量子比特易受到信号串扰而导致退相干。

Eagle、Osprey 是IBM 第三代封装方案。与第二代超导量子比特封装方案相同，它通过一个量子比特芯片凸点键合到一个中介层芯片，即2.5D 转接板。不同的是，转接板内部添加了薄膜多层布线传输控制和读出信号，该层与量子器件本身能很好地隔离，并将信号传送到超导量子比特芯片。转接板薄膜多层再布线由三层金属层、各层之间的图案化平面化电介质以及连接金属层的过孔组成，是与量子设备完全隔离的传输线。同时，在超导量子比特芯片和2.5D 转接板上增加了衬底通孔，在超导量子比特和其他敏感的微波结构之间建立孔栅——密集的通孔墙。如果它们之间的距离远小于一个波长，这些通孔就像法拉第笼一样，可以防止电路元件之间的容性串扰。在中介层芯片中，这些通孔扮演着相同的角色，同时将微波信号从2.5D 转接板上传输到芯片。因此，Osprey 互连传输线规模提高了一倍，且串扰减少，超导量子比特纠缠态质量大幅提升。

IBM 的目标是到2025 年实现具有4000+超导量子比特的超导量子计算机系统，释放超级计算能力并解决日益复杂的计算问题[28-30]，图14 是IBM 给出的量子计算发展路线图。

图14 量子计算发展路线图[28]

5 结束语

超导量子计算研究领域中，国外的IBM、Google、Intel 等商业巨头处于领跑状态，硬件技术比较成熟，已经对个别量子算法进行了小规模运算量的验证。

国内从事超导量子计算机的研发单位包括中国科学院物理研究所、南京大学、浙江大学、中国科学技术大学、南方科技大学等，与国际顶尖量子科研机构相比，仍存在差距。

面向我国超导量子计算机自主可控发展需求，针对mK 级低温环境下工作可靠的高密度、低串扰、低环境噪声超导量子比特封装与互连的研究仍将继续，本课题组依靠中电科43 所凸点倒装焊、硅通孔、系统集成等先进封装工艺平台优势，将持续研究超导量子比特三维集成封装解决方案以及与外部稀释制冷机测控线路的高密度互连方案，为“以量子为中心的超级计算机时代”的早日来临提供工艺技术支撑。