Квантовый чип Это «мозг» квантового компьютера, чья ключевая роль сопоставима с центральным процессором (CPU) традиционного компьютера. Однако в отличие от традиционных чипов, которые осуществляют вычисления на основе классических битов — «0» и «1», квантовые чипы работают за счёт… Квантовый бит Квантовые свойства «кубита» позволяют осуществлять вычисления — достижение этих свойств немыслимо без точной поддержки со стороны технологии электронно‑лучевой литографии. В данной статье, исходя из сущности кубита, мы проанализируем его связь с электронно‑лучевой литографией и рассмотрим… Технология смешанного литографирования Как решить проблему массового производства квантовых чипов?

I. Кубит: «наименьшая единица» квантовых вычислений

Хотя транзисторы традиционных микросхем — таких как процессоры и графические ускорители — уже уменьшены до нанометрового масштаба, их основной принцип по‑прежнему заключается в «массовом движении электронных групп»; тогда как ядро квантовых чипов — кубиты — функционирует за счёт квантовых состояний (суперпозиции и запутанности) отдельных электронов или небольшого числа фотонов и является базовым строительным блоком квантовых вычислений.

1. Ключевые свойства кубита

В отличие от классического бита, который принимает лишь два фиксированных состояния — «0» или «1» (подобно монете, лежащей на столе и имеющей либо орёл, либо решку), кубит обладает тремя уникальными свойствами, именно они и обеспечивают преимущества квантовых вычислений:

Суперпозиция состояний: Кубит может одновременно находиться в линейной суперпозиции состояний |0⟩ и |1⟩ — подобно тому, как монета, вращаясь на высокой скорости, одновременно является и «орлом», и «решкой». Эта особенность позволяет квантовым компьютерам параллельно рассматривать множество возможных решений, обладая мощной способностью к параллельным вычислениям.
Запутанное состояние: Два квантовых бита могут находиться в состоянии «запутанности» — даже на большом расстоянии изменение состояния одного из них мгновенно влияет на другое, подобно тому, как при вращении двух монет их состояния полностью синхронизируются, что обеспечивает высокоэффективное совместное выполнение операций в квантовых вычислениях.
Регулируемость: С помощью внешних сигналов (например, электромагнитных полей) можно изменять состояние кубита — подобно тому, как «рукой останавливается вращающаяся монета»; при этом необходимо длительное время поддерживать стабильность состояния, чтобы избежать разрушения квантового состояния вследствие воздействия окружающего шума (например, температуры или электромагнитных помех).

2. Джозефсоновский переход: «ключевой элемент» для реализации кубита

Для удовлетворения требований к кубитам — «устойчивая суперпозиция, управляемость и устойчивость к шуму» — джозефсоновский переход стал ключевым выбором для сверхпроводящих кубитов. Его структура представляет собой систему «сверхпроводник — изолятор — сверхпроводник (S‑I‑S)», а конкретное устройство выглядит следующим образом (см. схематическое изображение):

Основание: Серый Al₂O₃ (оксид алюминия);
Нижний сверхпроводник: Синий алюминиевый слой (шириной 100 нм и толщиной 50 нм);
Изоляционный слой: Фиолетовый Al₂O₃ (шириной 100 нм и толщиной всего 2 нм; крайне тонкий изоляционный слой является ключевым фактором);
Верхний сверхпроводник: В соответствии с нижним алюминиевым слоем формируется структура, «зажатая между изоляционными слоями».

Суть принципа работы джозефсоновского соединения заключается в «квантовании заряда»: чрезвычайно тонкий изоляционный слой приводит к дискретному распределению пар электронов по обеим сторонам перехода, а приложённое внешнее напряжение позволяет регулировать число зарядов на этом соединении — при этом состояние «заряд равен 0» определяется как |0⟩‑состояние, а состояние «заряд равен 1» — как |1⟩‑состояние, что обеспечивает точное управление кубитом.

II. Электронно-лучевая литография: «обязательный» метод для изготовления джозефсоновских соединений

Требования к размерной точности в структуре перехода Джозефсона чрезвычайно высоки: ядровая область — участок между двумя сверхпроводниками, разделённый изоляционным слоем, — обычно имеет размеры на уровне субмикрометра (<1 мкм) и даже нанометра (например, 100 нм × 100 нм); малейшие дефекты структуры или отклонения в размерах способны непосредственно разрушить квантовое состояние и привести к ошибкам вычислений. Традиционные методы оптической литографии, такие как ультрафиолетовая литография, не позволяют удовлетворить эти требования, поэтому единственным вариантом остаётся электронно-лучевая литография.

1. Три ключевых преимущества электронно-лучевой литографии

Электронно-лучевая литография — это «прямописная» технология литографии, при которой с помощью сфокусированного электронного пучка непосредственно формируются рисунки на фоторезисте; по сравнению с традиционной оптической литографией её преимущества как раз соответствуют требованиям к обработке джозефсоновских переходов:

Предельное разрешение: Оптическая литография ограничена явлением дифракции света, поэтому разрешение трудно вывести за пределы 100 нм; в то время как электронный луч не подвержен дифракции, что позволяет легко достигать линейных ширин на наноуровне и точно формировать наноразмерные ключевые области джозефсоновских контактов.
Не требуется маска‑шаблон, высокая гибкость: Традиционная оптическая литография требует изготовления дорогостоящих физических масок — стоимость одной комплекта может достигать сотен тысяч, а то и миллионов юаней — при этом любые изменения в дизайне требуют повторного производства. Электронно-лучевая литография позволяет непосредственно корректировать проект и осуществлять «прямую запись», что на этапах научных исследований и разработок, а также при проверке прототипов существенно сокращает сроки и снижает издержки, связанные с экспериментами и ошибками.
Высокая точность наведения: Сверхпроводящие квантовые устройства чаще всего имеют многослойную структуру (например, верхние и нижние электроды и соединительные проводники в джозефсоновском контакте), при этом слои должны быть точно выровнены друг относительно друга. Точность позиционирования систем электронно‑лучевой литографии достигает нанометрового уровня, что обеспечивает идеальное соединение зоны контакта с электродами и проводниками, гарантируя стабильные эксплуатационные характеристики устройства.

2. Технологический процесс изготовления джозефсоновского соединения

Электронно-лучевая литография играет ключевую роль в формировании рисунка при изготовлении джозефсоновских соединений; полный технологический процесс представлен ниже (см. схему технологического процесса):

Предварительная обработка подложки: Очистить подложку из Al₂O₃, удалив поверхностные загрязнения;
Нанесение клея: Равномерно нанести фоторезист (фоточувствительный материал) на подложку;
Электронно-лучевая экспозиция: С помощью фокусируемого электронного пучка на резисте наносится рисунок джозефсоновского соединения;
Проявление: Удаление после экспонирования фоторезиста, чтобы открыть участки, на которых необходимо нанести металл;
Наклонное испарение: Путём испарения алюминия под углом (для формирования верхнего и нижнего сверхпроводников) и Al₂O₃ (для создания изоляционного слоя);
Снятие: Удаление остатков фоторезиста, оставляя целостную структуру джозефсоновского контакта.

III. Гибридная литографическая технология: решение «проблемы массового производства» квантовых чипов

Хотя электронно‑лучевая литография обладает высокой точностью, у неё есть один ключевой недостаток — низкая скорость экспозиции и длительное время обработки (при прямом методе требуется последовательное нанесение точек, что позволяет обрабатывать лишь небольшое число устройств за один раз), что серьёзно ограничивает масштабное производство квантовых чипов и циклы их исследований и разработок.

1. Основная логика гибридной литографии

В структуре квантового чипа площадь соединений Джозефсона крайне невелика — как правило, менее 1 %; остальная часть приходится на крупногабаритные элементы, такие как металлические проводники и электродные площадки, для которых требования к точности значительно ниже — достаточно уровня микрометров. Исходя из этого, была разработана гибридная литографическая стратегия:

Ядерная тонкая структура (джозефсоновский переход): Применение электронно-лучевой литографии обеспечивает наноразмерную точность;
Некорневые крупногабаритные структуры (металлические соединения, электродные площадки): Применяется традиционная оптическая литография (например, ультрафиолетовая литография, литография без маски с использованием DMD), что позволяет повысить производительность за счёт её преимущества — «высокоскоростного экспонирования больших площадей».

Эта стратегия одновременно сохраняет преимущества точности электронно‑лучевой литографии, повышает общую производительность обработки за счёт оптической литографии и снижает затраты — уменьшает время работы в режиме электронно‑лучевой литографии и исключает потери масок при оптической литографии.

2. Практика гибридной литографии компании «ZEPTOOLS»

Являясь компанией, обладающей одновременно технологиями электронно‑лучевой литографии (ZEL304G) и оптической литографии (установка безмасочного фотолитографирования ZML10A), компания «ZEPTOOLS» уже успешно внедрила гибридный литографический процесс; его конкретная последовательность следующая:

Этап оптической литографии: Нанесение резинового слоя → экспозиция DMD (выписка крупногабаритных структур) → проявка → осаждение металла (соединительные дорожки, электродные площадки) → снятие маски;
Перенос двумерных материалов: Перенос двухмерных материалов (например, графена, используемых для оптимизации характеристик устройств) на целевую область;
Этап электронно-лучевой литографии: Снова нанесение резинового слоя → экспонирование электронным пучком → проявка → осаждение металла → снятие маски;
Очистка образца: Удаление остаточных примесей, завершение обработки устройства.

Кроме того, функция «трёхточечной калибровки» электронно‑лучевого литографического станка ZEL304G решает проблему совмещения при гибридной литографии: даже при отсутствии единообразия стандартов между оптической и электронно‑лучевой литографией она обеспечивает высокоточное сопряжение, совместима с такими устройствами, как DMD‑литографические станки и лазерные прямые пишущие литографы, что позволяет добиться эффекта «1+1>2» в производстве и предоставляет практичное решение для массовой разработки квантовых чипов.

Заключение

Стабильная реализация кубитов зависит от нанометровой точности обработки, обеспечиваемой джозефсоновскими переходами, а электронно‑лучевая литография как раз является «ключевой гарантией» такой точности; смешанная литографическая технология, благодаря комбинированной стратегии — «высокая точность в ключевых зонах плюс высокая эффективность в неключевых зонах» — позволяет преодолеть узкое место массового производства квантовых чипов. От фундаментальных принципов до практической реализации технологий электронно‑лучевая и смешанная литография совместно продвигают квантовые чипы из лаборатории к их практическому применению. В будущем серия электронно‑лучевых литографических систем компании «ZEPTOOLS» также станет надёжной базой оборудования для смешанных литографических решений, превратившись в важнейший технический инструмент в области обработки квантовых чипов и способствуя дальнейшему развитию индустрии квантовых вычислений.