超导晶体管有望解决量子计算扩展难题

量子计算机可能显得有些笨重，因为即便是最精美的搭载量子比特的制冷机，通常也会冒出一丛密密麻麻的控制电缆。

大多数量子比特只能在仅比绝对零度高出零点几度的极低温下工作，但控制这些量子比特的传统电子器件却无法在深低温环境中运行。因此，必须通过连接电缆将信息引出制冷机。计算机拥有的量子比特越多，所需的电缆就越多。这种“野蛮生长”的电缆不仅影响美观，更是量子计算机实现规模化扩展的一大阻碍——线缆会成为热量传导的通道，进而破坏敏感量子比特的稳定性。

如果能拥有可在寒冷的量子比特旁正常工作的低温控制电子器件，工程师就能清理掉部分电缆“杂草”。一家成立刚满月的初创公司 S-Transistors 给出了解决方案：利用能在量子比特超低温环境中运行的超导晶体管，来制造所需的电路。

这家总部位于埃斯波（Espoo）、从芬兰 VTT 技术研究中心分拆出来的公司，并非超导晶体管的发明者。然而，S-Transistors 认为他们在晶圆厂规模化制造超导晶体管方面取得了突破。他们计划在 2027 年将首批电路推向市场。

S-Transistors 联合创始人兼 CEO、前 VTT 研究员 Heorhii Bohuslavskyi 表示：“我们并不宣称自己能做出性能最好的超导晶体管，但我们能在晶圆级实现大批量生产，并且能率先将它们组装成以往不存在的新型超导集成电路。”

S-Transistors 技术的核心是约瑟夫森结（Josephson junction）。约瑟夫森结由夹着纳米级其他材料层（夹心）的两层超导体组成。超导体的关键特性在于：在足够低的温度下，电流可以毫无电阻和损耗地穿过超导体。通常情况下，约瑟夫森结中间的夹心材料完全不会阻止这种超导电流。但如果将电流增加到一定极限（即所谓的临界电流），约瑟夫森结就会在极短的瞬间（几分之一秒）脱离超导状态。这种闪烁会产生可控的微小电压脉冲。

许多量子计算机本身就使用约瑟夫森结作为超导量子比特的基础构建模块。

S-Transistors 在其约瑟夫森结上增加了第三个端子，其作用类似于典型场效应晶体管中的栅极。通过在该端子两侧施加电场，可以控制该结的临界电流。这被称为约瑟夫森场效应晶体管（JoFET）。工程师可以将多个 JoFET 组合起来，构建超导电路等复杂系统。

JoFET 并不是新技术——工程师们至少从 20 世纪 80 年代起就在尝试制造它们——但 S-Transistors 背后的研究人员表示，他们如今在晶圆厂大规模制造 JoFET 方面取得了突破。

超导晶体管虽非新手事物，但 S-Transistors 目前正利用 CMOS 晶圆厂在晶圆级规模上进行制造

他们在 6 英寸（150 毫米）的硅晶圆上制作超导晶体管。其兼容 CMOS 的工艺包括在晶圆上铺设石墨烯通道，并由铝基超导体塑造出三个电极。

其中两个电极接触石墨烯通道，形成铝-石墨烯约瑟夫森结。随后，通过控制第三个电极（栅极）的电压，就能改变临界电流，或者开关超导状态。

石墨烯本身通常不是超导体，但在适当的条件下，电极可以将其超导性“渗漏”到石墨烯中。研究人员花费数年时间精调工艺以实现这些条件。该器件的几何结构、材料和工程设计都必须做到丝毫不差。

S-Transistors 联合创始人兼 CTO Andrey Generalov 表示，他和同事们做到了这一点。现在，他们的目标是将这些晶体管组装成更复杂的集成电路。Generalov 表示：“在不久的将来，我们的下一步是展示由数百个超导晶体管组成的电路。”

超导体在极低温度下运行，因此可以将常温下的任务带到更靠近量子比特的位置。从 2027 年开始，S-Transistors 将生产并销售超导多路复用器和解多路复用器，旨在将信号路由传输至量子比特中，从而砍掉如今承担此项工作的部分繁琐电缆。

除此之外，S-Transistors 还希望通过能处理多种控制功能的超导“主板”，来裁剪掉更多电缆。Bohuslavskyi 认为，他们的超导晶体管可用于制造放大器、存储器以及其他模拟和数字电路。

将量子计算机的控制系统拉近量子比特还有其他途径，例如低温 CMOS（cryo-CMOS）——即经过特殊工程设计、可在量子计算机条件下运行的更传统的电子器件。

低温 CMOS 可能最适合某些电子元件，但对于最靠近量子比特的部分，S-Transistors 认为超导晶体管具备独特优势：超导晶体管与量子比特的兼容性更直接，且相比低温 CMOS，其泄漏的热量/功耗更少，不易破坏量子比特的稳定性。

Bohuslavskyi 表示：“新型低温电子平台潜力巨大，它能以比现有低温 CMOS 技术快得多的速度运行，同时功耗要低得多。”

（来源：编译自IEEE Spectrum）