汪冰 1, 2，刘俊夫 2 ，秦智晗 2 ，芮金城 2 ，汤文明 1, 2 （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）

摘 要：基于超导量子电路的量子计算技术已经在退相干时间、量子态操控和读取、量子比特间可 控耦合、中大规模扩展等关键技术上取得大量突破，成为构建通用量子计算机和量子模拟机最有前 途的候选技术路线之一。在介绍超导量子比特原理的基础上，结合自主创新成果，对国内外超导量 子比特封装与互连技术的发展进行评价，并重点探讨了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，为尽快缩小与国外超导量子计算机的差距提供超导量 子比特封装与互连技术支撑。

关键词：超导量子计算机；超导量子比特；三维集成封装；高密度互连

Progress in Superconducting Quantum Bit Packaging and Interconnection Technology

Abstract: Quantum computing technology based on superconducting quantum circuits has made significant breakthroughs in key technologies such as decoherence time, quantum state manipulation and readout, controllable coupling between quantum bits, and medium and large-scale expansion, becoming one of the most promising candidate technological routes for building universal quantum computers and quantum simulators. On the basis of introducing the principle of superconducting quantum bits, and combining with the independent innovation achievements, the development of superconducting quantum bit packaging and interconnection technologies at home and abroad is evaluated, and the solution of three-dimensional integrated packaging of superconducting quantum bits, as well as high-density interconnection schemes with external dilution refrigerators and measurement and control lines are discussed, to provide packaging and interconnecting technology support to narrow the gap between domestic and foreign superconducting quantum computers as soon as possible.

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。

    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。

    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]。

 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。

    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 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。

    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]。

    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。

    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。

2.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。

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