初创公司S-Transistor：能够大规模生产超导晶体管

量子计算机可能很笨重，因为即使是最精巧的量子比特容纳低温恒温器通常也会长出一大堆控制电缆。

大多数量子比特在高于绝对零度几分之一度的温度下就无法工作，但控制量子比特的传统电子器件在极低温下也无法工作。因此，需要使用连接电缆将信息从低温恒温器中传输出来。计算机的量子比特越多，所需的电缆就越多。这种电缆的过度延伸不仅影响美观，还会阻碍量子计算机的扩展。这些电缆会成为热传导的通道，而热传导会使敏感的量子比特不稳定。

如果工程师们能找到可以在低温环境下工作的控制电子设备，与同样处于低温状态的量子比特配合使用，就能解决一些电缆布线方面的难题。一家名为S-Transistors的初创公司（成立仅一个月）提出了一个方案：利用超导晶体管制造所需的电路，使其能够在量子比特的超低温环境中运行。

这家位于埃斯波的公司是从芬兰VTT技术研究中心剥离出来的，它并非超导晶体管的发明者。S-Transistors公司认为，他们在晶圆厂制造超导晶体管方面取得了突破性进展。他们计划在2027年将首批产品推向市场。

“我们并不声称制造出最好的超导晶体管，但我们可以在晶圆级上制造很多超导晶体管，而且我们实际上可以成为第一个将它们组合成以前不存在的新型超导集成电路的公司，” S-Transistors 的首席执行官兼联合创始人、前 VTT 研究员Heorhii Bohuslavskyi说。

S-Transistors技术的核心是约瑟夫森结。 约瑟夫森结由两层超导体夹着一层纳米级的另一种材料构成。超导体的一个关键特性是，在足够低的温度下，电流可以零电阻、零损耗地流过超导体。通常情况下，约瑟夫森结的填充层对此没有任何作用。但是，当电流超过某个极限值（即所谓的临界电流）时，约瑟夫森结会在极短的时间内（每次极短的几分之一秒）脱离超导状态。这种闪烁会产生一个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构建模块。S型晶体管在其约瑟夫森结的基础上增加了一个第三极，该第三极的作用类似于典型场效应晶体管的栅极。在该第三极上施加电场可以控制约瑟夫森结的临界电流。这种晶体管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。

JoFET 并非新技术，工程师们至少从 20 世纪 80 年代就开始尝试制造它，但 S-Transistors 背后的研究人员表示，他们现在已经在晶圆厂大规模制造 JoFET 方面取得了突破。

超导晶体管并非新技术，但S-Transistors公司目前已在CMOS代工厂以晶圆级规模生产超导晶体管。

他们采用6英寸（150毫米）硅晶圆制造超导晶体管。他们的CMOS兼容工艺包括将石墨烯沟道铺设在晶圆上，并用铝基超导体制成三个电极。

其中两个电极与石墨烯通道接触，形成铝-石墨烯约瑟夫森结。然后，通过控制第三个电极（栅极）上的电压，可以改变临界电流，也就是开启或关闭超导性。

石墨烯通常不是超导体，但在合适的条件下，电极可以将超导性“泄漏”到石墨烯中。研究人员花费数年时间不断改进工艺，最终实现了这些条件。他们器件的几何形状、材料和工程设计都必须做到完美。

Generalov和他的同事们认为他们已经实现了这一目标。现在，他们正致力于将这些晶体管组装成更复杂的集成电路。“在不久的将来，我们的下一步就是展示由数百个超导晶体管组成的电路，”Generalov说道。

超导体可在极低温度下运行，因此可以将室温下的任务更靠近量子比特。从 2027 年开始，S-Transistors 将生产和销售超导多路复用器和解复用器，旨在将信号路由到量子比特，从而减少目前用于此目的的繁琐电缆。

除此之外，S-Transistors公司还希望利用超导“主板”大幅减少线缆，该主板能够处理多种控制功能。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。

还有其他方法可以使量子计算机的控制系统更靠近其量子比特，例如低温CMOS：这是一种更传统的电子器件，但经过专门设计，可以在量子计算机的条件下运行。

低温CMOS工艺或许最适合某些电子器件，但对于最靠近量子比特的部件，S-Transistors公司认为超导晶体管具有一些优势。超导晶体管与量子比特的兼容性更强，而且与低温CMOS工艺相比，其泄漏的可能导致量子比特不稳定的功率更少。

Bohuslavskyi表示：“一种新型低温电子平台有可能以更快的速度运行，同时比目前的低温CMOS技术消耗更少的功率。”