Researchers at the Institute for Quantum Computing (IQC) have found a new one-step process to construct tiny bridge structures on microchips with superconducting circuits, which are essential for future quantum computers based on superconductors.
Currently, superconducting circuits are believed to be one of the most promising candidates for information storage on future quantum computers. These superconducting circuits may have the processing ability to make efficient breakthroughs in complex problems – such as pharmaceutical drug design – that are too time consuming to be computed on today’s computer systems.
These tiny bridge structures, known as air bridges, are used to create complex designs, as they enable circuit crossings and mitigate loss of information in superconducting circuits on microchips.
“Our new method creates robust air bridges with a single lithography patterning step,” said Noah Janzen, a PhD student at IQC and the Department of Physics and Astronomy, and lead author of this study. “By using a single step process, the time, cost, and amount of materials needed to create these structures is significantly reduced and optimized compared to previously known air bridge fabrication processes.”
The air bridges are miniscule, with a width of 6 µm, over 10 times smaller than a strand of hair, and a length ranging from 20 – 100 µm (at their largest, the size of a single hair). These bridges improve the quality of microchip devices by reducing quantum level deterioration effects, known as quantum decoherence, of the superconducting currents.
To create the air bridges, the research team layered a polymer on top of the microchip, then created a 3-dimensional template for the bridge by etching the template into the polymer layer using a focused beam of electrons through a process called electron beam lithography. A thin layer of aluminum was then deposited on top of the bridge template, and the polymer template was removed, leaving only the aluminum bridge suspended in the air. Support by staff at the Quantum-Nano Fabrication and Characterization Facility and the quality of the infrastructure at this facility have been essential for this development.
Air bridges are one important ingredient for improving the quality of the superconducting chips, and they also open up the design space on these chips from 2-dimensions to 3-dimensions. Combined with the newly reported simple method for creating air bridges, this provides researchers with a process to create more complex microchips and devices.
“This new method has already enabled us to develop a new device for the exploration of fundamental topics in quantum information. We expect it will be useful in a broad range of efforts in the field,” said Adrian Lupascu, IQC faculty member and professor of Physics and Astronomy at Waterloo.
The paper Aluminum air bridges for superconducting quantum devices realized using a single-step electron beam lithography process was published in Applied Physics Letters August 29, 2022, and selected as an Editor’s pick.
A scanning electron microscope image of a 36um long, aluminum air bridge fabricated using a single-step grayscale electron beam lithography process. The air bridge, viewed from a tilted angle, is shown spanning a co-planar waveguide on a superconducting chip.
Des chercheurs inventent un procédé simple pour ajouter des ponts surélevés sur des micropuces
Des chercheurs de l’Institut d’informatique quantique (IQC) ont inventé un nouveau procédé en une seule étape pour construire de minuscules ponts sur des micropuces portant des circuits supraconducteurs essentiels pour les futurs ordinateurs quantiques à supraconducteurs.
À l’heure actuelle, on considère que les circuits supraconducteurs font partie des candidats les plus prometteurs pour le stockage d’information dans les futurs ordinateurs quantiques. Ces circuits pourraient avoir une capacité de traitement permettant de réaliser des percées dans la résolution de problèmes complexes — p. ex. la conception de médicaments — qui demandent trop de temps de calcul avec les ordinateurs actuels.
Ces minuscules ponts surélevés servent à créer des circuits complexes, car ils permettent d’effectuer des croisements et atténuent la perte d’information dans des circuits supraconducteurs montés sur des micropuces.
« Notre nouvelle méthode permet de construire des ponts surélevés solides en une seule étape de modelage par lithographie », a déclaré l’auteur principal de l’article, Noah Janzen, doctorant à l’IQC ainsi qu’au Département de physique et d’astronomie. « Par rapport aux procédés existants de fabrication de ponts surélevés, le recours à un procédé en une seule étape permet de réduire sensiblement le temps, les coûts et la quantité de matériaux nécessaires pour créer ces structures. » [traduction]
Ces ponts sont minuscules : une largeur de 6 µm, plus de 10 fois plus petite que l’épaisseur d’un cheveu; une longueur de 20 à 100 µm (l’épaisseur d’un cheveu, pour les ponts les plus longs). Ces ponts améliorent la qualité des dispositifs montés sur des micropuces, en diminuant les effets de détérioration des propriétés quantiques, appelée décohérence quantique, des courants supraconducteurs.
Pour fabriquer un tel pont surélevé, l’équipe de chercheurs a mis une couche d’un polymère sur la micropuce, puis a créé un modèle 3D du pont en le gravant dans la couche de polymère à l’aide d’un faisceau d’électrons, par un procédé dit de lithographie par faisceau d’électrons. Une fine couche d’aluminium a ensuite été déposée sur le modèle de polymère, puis ce dernier a été retiré, ne laissant que le pont d’aluminium surélevé. Le personnel de soutien de l’Installation de fabrication et caractérisation nanométriques quantiques et la qualité de l’infrastructure de cette installation ont joué un rôle essentiel dans cette réussite.
Les ponts surélevés constituent un ingrédient important pour améliorer la qualité des puces supraconductrices, en plus de faire passer de 2 dimensions à 3 dimensions les possibilités de conception de circuits sur ces puces. Avec ce procédé nouveau et simple de création de ponts surélevés, les chercheurs peuvent créer des micropuces et dispositifs plus complexes.
« Ce nouveau procédé nous a déjà permis de mettre au point un dispositif inédit pour l’étude de sujets fondamentaux dans le domaine de l’information quantique », a déclaré Adrian Lupascu, professeur à l’IQC ainsi qu’au Département de physique et d’astronomie à l’Université de Waterloo. « Nous nous attendons à ce que ce procédé soit utile pour de nombreux autres travaux dans le domaine. » [traduction]
L'article intitulé Aluminum air bridges for superconducting quantum devices realized using a single-step electron beam lithography process (Fabrication en une seule étape de ponts surélevés en aluminium pour des dispositifs quantiques supraconducteurs, au moyen de la lithographie par faisceau d’électrons) a été publié le 29 août 2022 dans Applied Physics Letters, où il a fait partie de la sélection du rédacteur en chef.
Image au microscope électronique d’un pont surélevé en aluminium, d’une longueur de 36um, fabriqué en une seule étape au moyen de la lithographie par faisceau d’électrons à nuances de gris. La vue en plongée diagonale montre le pont au-dessus d’un guide d’ondes coplanaire sur une puce supraconductrice.