固态集成混合超导电子器件实现超导电流时分复用的突破性进展

为解决超导量子器件测试中信号线数量庞大、占用空间多、降温时间长等瓶颈问题，研究人员开展了基于约瑟夫森场效应晶体管（JoFET）的超导电流时分复用（TDM）研究。他们利用InAs-on-Insulator（InAsOI）平台开发了电压控制的混合超导解复用器，实现了非耗散性超电流的精确路由控制，在50 mK温度下工作频率达100 MHz，插入损耗接近0 dB，隔离比达17.5 dB。这项研究为大规模超导量子系统的集成控制提供了关键技术支撑。

　　

在量子科技迅猛发展的今天，超导量子器件和自旋量子比特等低温量子设备的研究取得了显著进展。然而，这些设备需要在极低温环境下工作，通常需要大量的信号线从室温电子学设备连接到低温测试平台。以谷歌Sycamore量子计算机为例，仅控制54个量子比特就需要使用超过200根射频同轴电缆。这种庞大的线缆数量不仅占据了宝贵的空间，延长了系统降温时间，还限制了可测试器件的数量，成为大规模量子系统发展的主要瓶颈之一。

传统的解决方案包括使用机电开关和低温CMOS（cryo-CMOS）技术。机电开关虽然能在低温下工作，但体积庞大（约100 cm3），切换速度慢（约10 ms），且输入输出线数量有限。低温CMOS技术虽然体积较小，但存在静态功耗大（导致冷板温度升高数十mK）和插入损耗高（1-3 dB）的问题，特别是在超导量子计算中，这些特性使得低温CMOS平台与可扩展、高保真度的超导transmon量子比特控制不兼容。

面对这些挑战，研究人员将目光投向了超导固态时分复用（TDM）技术。这种技术承诺提供更短的切换时间、接近零的静态功耗、可忽略的热量注入以及最小的插入损耗。近年来，虽然有一些概念验证性的超导开关被报道，但它们都存在插入损耗大、工作带宽有限和输出端口少（最多2个）等缺点。

在这项发表于《Nature Communications》的研究中，研究团队展示了利用电压控制的混合超导解复用器实现非耗散性超电流的时分复用。他们采用基于绝缘体上铟砷（InAsOI）平台的约瑟夫森场效应晶体管（JoFET）作为核心构建模块，这些晶体管以铝作为超导体，二氧化铪（HfO₂）作为栅极绝缘体。

研究团队主要采用了以下关键技术方法：使用分子束外延（MBE）生长InAsOI异质结构；通过原子层沉积（ALD）制备栅极绝缘层；利用电子束光刻和湿法刻蚀技术制造纳米尺度的约瑟夫森结；采用4端子电学测量架构进行器件表征；使用50Ω匹配的低温测量系统进行高频性能测试。

InAsOI基约瑟夫森场效应晶体管的制备与表征

研究团队首先在InAsOI平台上制造了约瑟夫森场效应晶体管（JoFET）。

晶体管结构包括铝超导电极、邻近化的铟砷半导体沟道和二氧化铪栅极绝缘层。通过精确控制结长度（L_JJ）和栅极长度（L_G）等关键参数，研究人员实现了对器件性能的优化。

电学表征结果显示，这些JoFET在栅电压为-4.5V时能够完全抑制开关电流，并将正常态电阻提高20倍。

特别值得注意的是，当L_G=1000 nm且L_JJ=850 nm时，器件实现了100%的开关电流抑制和20倍的正常态电阻增加。这种优异的性能使InAsOI基JoFET成为实现超导/电阻双态开关的理想构建模块。

超导1输入8输出模拟解复用器

基于优化后的JoFET，研究团队开发了超导1输入8输出（1I8O）模拟解复用器。

该器件采用分层架构，包含14个JoFET、1个输入线、8个输出线和6个控制线。通过巧妙的布局设计，实现了信号的高效路由。

直流电学测试表明，该解复用器具有±2μA的非耗散性动态输入范围，在线路处于超导状态时表现出接近零的电阻。不同输出线路之间的电阻一致性良好，变异系数仅为4.0%，显示了制造工艺的良好可重复性。

时间分辨和交流电学特性

在时间分辨测量中，研究团队评估了解复用器的动态性能。

当以100 Hz的切换频率在两种栅控配置之间切换时，器件能够可靠地将非耗散路径从一个输出线转移到另一个输出线。上升和下降时间约为100 ns，对应的最大切换频率可达10 MHz。

交流性能测试显示，在超导状态下，器件在10 kHz至100 MHz频率范围内插入损耗接近0 dB，表明输入功率能够高效传输到选定的输出端口。在耗散状态下，插入损耗增加至17.5 dB，实现了17.5 dB的隔离比。这些结果显著优于传统低温非超导解决方案。

微波超导1输入2输出模拟解复用器

为扩展工作频率范围，研究团队还开发了微波超导1输入2输出（1I2O）模拟解复用器。

该器件采用铝超导共面波导（CPW）进行片上电磁信号路由，最小化高频下的功率耗散。测试结果表明，在500 MHz至4 GHz频率范围内，超导状态下的插入损耗仍保持接近0 dB，耗散状态下的隔离比为16 dB，性能与1I8O解复用器相当。

功耗分析

研究团队对解复用器的静态和动态功耗进行了详细分析。静态功耗约为700 fW，动态功耗可由公式P_DYN = n × C_G × V_GS² × f_SW计算，其中n=14为集成JoFET数量，C_G为栅电容，f_SW为切换频率。在50 mK温度下，使用制冷机的冷却功率为16 μW，解复用器可在高达400 kHz的切换频率下工作而不影响冷板温度。

研究结论表明，这项工作中提出的超导时分复用技术代表了低温量子器件测试领域的重要技术进步。通过使用基于InAsOI平台的约瑟夫森场效应晶体管，研究人员成功实现了非耗散性信号的电压控制路由，显著减少了传统低温恒温器所需的输入信号线数量。

该技术的核心优势在于：首先，它提供了接近零的插入损耗，确保了信号在超导状态下的高效传输；其次，实现了17.5 dB的高隔离比，有效防止了信号串扰；第三，静态功耗极低（仅700 fW），不会对低温系统的热平衡造成显著影响；最后，支持高达100 MHz的信号频率和10 MHz的切换频率，满足了量子计算应用的需求。

特别值得强调的是，微波解复用器的成功验证表明该技术可扩展到transmon量子比特的工作频率范围（4 GHz），为超导量子计算机的输入输出线大幅减少提供了可行路径。这项技术不仅能够降低低温系统的成本和空间占用，还能增加每次降温可测试的器件数量，加速量子器件的研发进程。

研究的成功得益于InAsOI平台的优异特性，包括良好的超导邻近效应、低温电学绝缘性能和器件集成能力。与基于铟砷量子阱、锗量子阱、铟砷纳米线、铟砷纳米片和石墨烯等其他可栅调谐临界电流平台相比，InAsOI基JoFET在开关电流抑制和正常态电阻增加方面表现出顶尖性能。

总之，这项研究为大规模超导量子系统的集成控制提供了关键技术基础，有望推动量子计算从实验室走向实际应用。未来的工作可以进一步优化器件尺寸，降低栅压要求，提高切换频率，并增加输出端口数量，以满足日益增长的量子器件测试需求。