半导体-超导体纳米线和基于其的量子设备的形成和制造

背景技术

量子计算是一种类别的计算，其中利用固有量子力学现象(诸如量子态叠加和纠缠)来执行某些计算，执行速度比可能有能力执行这些计算的任何传统计算机的执行速度快得多。在“拓扑”量子计算机中，通过操纵在某些物理系统中出现的准粒子(被称作“非阿贝尔任意子(non-abelian anyons)”)来执行计算。任意子具有将其与费密子(fermion)和玻色子(boson)区分开的独特物理特点。非阿贝尔任意子相对于阿贝尔任意子也具有独特特性。正是这些独特特性充当拓扑量子计算的基础，其中信息被编码为非阿贝尔任意子的拓扑特性；具体地非阿贝尔任意子的时空世界的编织。这具有优于其他量子计算模型的某些益处。一个关键益处是稳定性，这是由于量子编织在规模上不受可以在其他类型的量子计算机中导致错误诱发量子退相干的扰动影响。

已经将多种类型的物理系统视为非阿贝尔任意子的潜在宿主，诸如凝聚态物理中的“5/2分数量子霍尔”系统和与超导体接触的拓扑绝缘体系统。另一示例是半导体-超导体(SE/SU)异质结构，诸如SE/SU纳米线。相对于这些，本领域的关键进展是认识到可以在半导体(SE)耦合至超导体(SU)的区域中形成“马约拉纳(Majorana)零模”(MZM)形式的非阿贝尔任意子。基于此现象，SE/SU纳米线的小型网络可以用于创建量子位，其中每个SE/SU纳米线都包括涂覆有超导体的一定长度的半导体。

量子位(quantum bit/qubit)是可以执行具有两种可能结果的测量但在任何给定时间(在未经测量时)事实上可以处于与不同结果对应的两种态的量子叠加中的元素。

“拓扑”量子位是基于呈MZM形式的非阿贝尔任意子的上文所提及的技术而实施的量子位。非阿贝尔任意子是一种类型的准粒子，也就是说其本身不是指粒子，而是指在电子液体中至少部分表现地如同粒子一般的激发。特定地，任意子是在二维系统(空间中的两个自由度)中出现的准粒子。马约拉纳零模是此类准粒子的特定束缚态。在某些条件下，出于量子计算的目的，可以按使得能够将这些态作为量子位而进行操纵的方式将这些态形成为接近于SE/SU纳米线网络中的半导体/超导体界面。MZM之间的纳米线网络的区域或“分段”被称为处于“拓扑”状态。

基于马约拉纳的量子位常规地涉及门控，以便展现出此拓扑行为。即，将电势施加至形成量子位的纳米线中的一个纳米线的半导体的分段。经由邻近于晶圆上的制造结构中的纳米线放置的栅极端子施加电势。还需要磁场来诱发拓扑状态。磁场是由放置在晶圆外部(通常在冷藏室内)的电磁体施加的，该电磁体如用于诱发超导体中的超导性。

常规地，构建基于马约拉纳的拓扑量子计算设备涉及在半导体上形成超导岛。超导体的一些部分是拓扑的(T)，而其一些部分是非拓扑的(例如常规S波(S))。拓扑分段支持出现在其相对端的马约拉纳零模。用于实现MZM的现有技术需要强磁场以及静电门控，以便将半壳纳米线驱动到拓扑相中。MZM是通过将磁场耦合至电子的自旋分量而被诱发的。这需要强磁场。

在一些制造技术中，可以通过诸如选择性区域生长(SAG)的技术在晶圆的平面中形成纳米线的半导体。接着可以将超导材料选择性地沉积于半导体上方或可以将超导材料沉积为随后蚀刻掉的均匀涂层和区域以形成岛。

P.Krogstrup等人于2015年1月12日在自然材料第400-406页的“Epitaxy ofsemiconductor-superconductor nanowires(半导体-超导体纳米线的外延)”中公开了制造包括半导体-超导体纳米线的设备的另一种方法。相对于晶圆平面竖直地生长纳米线的半导体芯，接着执行角度沉积，以便在半导体芯的琢面上沉积超导体的涂层。接着通过超声处理将纳米线“压倒”，并且借助于光学显微镜将纳米线在水平面中对准。接着从纳米线蚀刻掉超导体涂层的部分，以便在所得设备中使每个纳米线仅涂覆有上文所提及的超导岛。

发明内容

根据本文中所公开的第一方面，公开了用超导体涂覆每个纳米线的整个周边(即，提供完整的超导壳)，并且将该壳留在最终设备的适当位置中(而非蚀刻掉超导体的部分或选择性地沉积该部分以仅在线的半导体上方形成超导岛)。可以例如通过在超导体的沉积期间旋转衬底或沉积光束来实施该全壳涂层。在全壳的情况下，发明人发现仅需要相对弱的轨道磁场以将系统驱动到拓扑状态中。所公开的形成还可以用于缓解较早方案中存在的其他技术挑战，这是因为其避免了静电调谐到拓扑相中，保护了拓扑元素免受空间不均匀性，并且增加了形成量子位的一部分的超导岛的充电能量。

所公开的形成可以用于构建量子计算结构，诸如以基于全壳纳米线形成拓扑量子位、量子位系统以及量子计算机，包括但不限于稍后图示的示例设计。示例设计包括“水平”和“竖直”设计。

根据第二方面，公开了一种结构，竖直生长的纳米线在最终设备中相对于晶圆保持竖直地定向，而非如在现有技术中一般在晶圆的平面中被压倒并且水平地定向。该情形的优点在于其允许3D集成。通用的途径要求将纳米线在晶圆平面中的2D网络中平铺，但这会占用大量空间。因此，相反，本公开公开了一种方法，在该方法中纳米线在其所生长的定向上保持竖直放置接着设备的其余部分围绕纳米线而被构建。

第一方面和第二方面可以一起使用或独立地使用。即，在第一方面中，纳米线可以在晶圆的平面中保持竖直或被压倒并且水平对准，而在第二方面中，纳米线可以保持为全壳纳米线或可以被蚀刻以从线中去除超导体的部分。

在任一方面，所公开的结构都可以用于形成拓扑量子位或包括多个量子位的拓扑计算机或通用量子计算机。在第二方面中，所公开的结构甚至可以用于形成其他非拓扑量子设备。

应注意，如本文中所提及的“设备”是指成品设备，即，形成于成品裸片或芯片中的设备。通常，设备还将被封装，即，被封装于集成电路封装中。

还应注意，如本文中所提及的术语(诸如“水平的”、“竖直的”、“底部”和“顶部”)是指相对于晶圆或衬底的平面而言的。即，水平是指与衬底的平面平行，并且竖直是指与衬底的窗格竖直，而底部是指纳米线的最接近衬底的一端，且顶部是指最远离衬底的一端。这些术语并不一定暗示关于相对于重力的定向的任何事物。

该发明内容的提供是为了以简化的形式介绍对于在下面的详细说明中进一步描述的构思的选择。本发明内容既不旨在识别所要求的主题的关键特征或本质特征，也不旨在用于限制所要求的主题的范围。所要求的主题也不限于解决本文中所提到的缺点中的任何或全部缺点的实施方式。

附图说明

为了协助理解本公开的实施例并且示出如何执行此类实施例，仅通过示例参考附图，在附图中：

图1是量子系统的图示，

图1A是具有完整超导壳的半导体纳米线的图示，

图1B是具有薄壳的半导体纳米线的图示，

图2是薄壳极限内的拓扑相图，

图3(a)是完整芯模型的拓扑相图，

图3(b)示出了图3(a)中指示的点处的能带结构，

图4(a)示出了完整芯模型的马约拉纳相干长度，

图4(b)示出了在半径范围内积分的马约拉纳波函数，

图5(a)示出了四元体量子位(也被称为四量子位)的示例设计，

图5(b)示出了六邻体量子位的示例设计，

图6示出了六邻体量子位的网络的示例设计，

图7示出了图6的细节，

图8示出了六邻体量子位的网络的另一示例设计，

图9示出了图8的细节，

图10示出了四元体量子位的网络的示例设计，

图11示出了四元体量子位的网络的另一示例设计，

图12示出了用于制造竖直纳米线的示例制造工艺，

图13示出了竖直纳米线设备的底层控件的示例设计，

图14(a)示出了具有水平纳米线的示例设计的侧视图，

图14(b)示出了具有竖直纳米线的另一示例设计的侧视图，

图14(c)示出了具有竖直纳米线的另一示例设计的侧视图，

图15是超导壳中的能隙随B而变的略图，

图16示出了中空圆柱模型的拓扑相图，

图17示出了完整圆柱模型的拓扑相图，

图18示出了有限线的端部的局部密度状态的演变，

图19A示出了无序的完整圆柱模型的拓扑相图，

图19B示出了角对称破裂扰动的影响，

图20示出了超导壳的模拟，

图21示出了中空圆柱模型的拓扑相图，

图22示出了最低能量上自旋和下自旋模式的概率密度，

图23示出了线中间的局部密度状态，

图24A示出了不同的无序实现的相图，以及

图24B示出了不同的无序实现的其他相图。

本文中提及了以下符号：

R

R

R

R：薄壳半径

H

e：电子的电荷

m*：有效质量

μ：化学势

α

σ

△

ψ：Nambu基础

H

d：超导体壳的厚度

λ

Φ：磁通量

Φ

n

τ

m

U：统一变换

E

Vz：Zeeman能量

E

J

L

Ψ：马约拉纳波函数

ξ：相干长度的频率

m

具体实施方式

本公开引入了示出在B场、自旋轨道耦合、化学势、半径和温度的值的广泛范围内的计算和模拟，接着，具有超导体的全壳的半导体线可以进入支持MZM的拓扑相，MZM是量子计算的拓扑途径中的关键元素。

这促使发明人进行了一系列其他理论活动，在对拓扑相的固体分析验证、确定进入相的参数的广泛数值模拟以及相的实际特点(相干长度和间隙)方面进行积累。接着，在掌握了通向MZM的全壳路径的情况下，发明人转向如下问题：“可以在量子位的设计、量子位的阵列以及针对拓扑量子计算机的可扩展架构的全部方式中利用该新全壳技术吗？”发明人发现，实际上，全部这些问题的答案都是“是”。本公开包括支持基于全壳线的拓扑量子计算机的可扩展设计的发现的理论工作。

事实上，针对本公开存在至少两个方面：I)可以以全壳线的现在已知的拓扑相完成的工作；以及II)可以用汽液固体(VLS)生长的纳米线的竖直“森林(forests)”作为量子计算元素而完成的工作。

I)与II)之间的联系在于，在开发用于全壳线的可扩展技术时，发明人认识到，由于线生长(VLS)成漂亮的有序竖直阵列，因此不得不将这些线打乱是很可惜的。因此，公开了将森林留在适当位置并且在其周围构建拓扑量子计算机的其余部分。(尽管水平设计在第一方面中也是可能的。)一旦沿着通过VLS线的竖直森林实现量子计算元素的3D集成的道路，发明人就认识到，即使在拓扑领域之外也存在着卓有成效的应用。常规凝聚态量子位(诸如传输子和门控子)将具有有限的保真度，并且将必须基于能够支持必要的纠错层的这些量子位而针对量子计算机以数百万的形式产生。本文中认识到，半导体线的竖直森林有潜力用于形成基于马约拉纳的量子位或常规量子位的密集阵列。

图1给出了根据本公开的实施例的示例系统1的示意性图示。例如，系统1可以是量子计算机，诸如拓扑量子计算机或通用量子计算机。系统1包括呈裸片(芯片)形式的、设置于冷藏室3中的设备2。裸片可以封装在集成电路(IC)封装(未示出)中，并且可以经由封装的引脚连接到外部装备(也未示出)，外部装备被布置成经由设备2的内部与外部之间的触点来控制设备和/或从设备进行测量。系统1还包括通常设置在冷藏室3内的电磁体4。

设备2已经使用分层制造工艺由晶圆形成。设备2包括限定平面的衬底5。设备2还包括形成于衬底5上方的一个或多个层6。这些层可以包括例如形成于衬底5上方的介电层、形成于介电层上方的半导体材料层、形成于半导体层上方的半导体材料层以及形成于超导体层上的填充物材料层。

设备2包括一个或多个半导体-超导体纳米线7，优选地多个此类线。线7嵌入于层6中的一个或多个层中。纳米线7中的每个纳米线都包括限定轴的一定长度的半导体材料9(纳米线7的芯)。芯的横截面可以是圆形的、椭圆形的或多边形的(即，与线的轴竖直的通道中的形状)。每个纳米线7还包括在纳米线的长度的外部的至少一部分上方形成的超导材料10的涂层。根据本文中所公开的第一方面，超导体材料10在轴的平面中(即，在横截面中)沿着纳米线的一部分或全部长度(在与轴平行的方向上沿着轴的全部路径中的一部分)围绕半导体芯9的周边(例如圆周)形成全部路径。这就是全壳纳米线的含义。设备2中的一个、一些或全部纳米线7可以采用全壳纳米线的形式。

为了制造此类形成，纳米线7的半导体芯9可以例如使用如在背景技术部分中引用的由Krogstrup等人先前公开的生长方法竖直地生长。此处的竖直是指与衬底5的平面垂直。接着，可以借助于成角度的光束沉积技术将超导体材料10沉积于芯9上。为了形成全壳涂层，可以在沉积超导体10期间使晶圆或光束中的任一者旋转。半导体材料9优选地是具有高自旋轨道耦合的材料，诸如InAs(砷化铟)或InSb(锑化铟)。超导体材料10优选地是s波超导体，诸如Al(铝)或Nb(铌)。

根据本文中所公开的第二方面，竖直纳米线7可以留在成品设备2中的竖直位置中。为了物理地支撑竖直纳米线，沉积层6包括一层或多层填充物材料，其可以是例如塑料或蜡。例如，填充物可以是塑料PMMA。

备选地，可以根据Krogstrup等人所公开的先前已知的途径将一些或全部纳米线7(例如全壳纳米线)压倒，并且使这些纳米线的轴在水平面(与衬底5平行)中对准。

在最终系统1中，接着，将一个、一些或全部纳米线7a(例如一些或全部竖直纳米线)用作有源纳米线，即，量子结构(诸如量子位)的可操作的量子组件。例如，一个、一些或全部纳米线7可以用于诱发纳米线7内的马约拉纳零模，该马约拉纳零模可以用于形成充当基于马约拉纳的量子位的结构。如稍后将更详细地讨论的，在实施例中，竖直纳米线7a的束可以用于形成量子位结构，诸如四量子位(四元体量子位)或六邻体量子位。在其他实施例中，纳米线7可以用于形成其他种类的量子位，诸如基于传输子或门控子的量子位。

在实施例中，全部纳米线7或至少全部的有源纳米线7a可以在相同方向上与其轴对准，即，彼此平行。

在层6中的一个或多个层中形成的是电路装置8的一个或多个层，电路装置8的一个或多个层可以例如包括一个或多个栅极、互连件、半导体网络和/或其他电触点8。在实施例中，电路装置8中所使用的任何半导体中的一些或全部半导体可以由与纳米线7的芯相同的半导体材料9形成。在实施例中，电路装置8中所使用的任何导体中的一些或全部导体可以由与纳米线7的涂层相同的超导体材料10形成。电路装置8的(多个)层可以例如布置成启用以下操作中的任何或全部操作：将纳米线7一起连接到量子结构(诸如量子位)中；控制纳米线7或由其形成的量子结构；和/或从纳米线或由其形成的量子结构中取得读数。例如，可以将栅极布置成在不具有超导体的区域中调谐半导体(以在半导体中形成点、隧道结或相当可观的电子密度)。例如，可以布置栅极以调谐电路装置8的半导体网络中的隧道结。

纳米线7x中的一些纳米线并不一定用作可操作的量子组件，而相反，仅用作结构6中的电路装置8的层之间的竖直电触点(即，通孔)和/或使得与设备2的顶部的之外的外部接触，例如以便连接到封装的引脚并且最终连接到外部装备。备选地或附加地，可以使用多个传统通孔。

图1图示了例如电路装置的底层8b，其可以由半导体和/或超导体的基底层形成，直接形成于衬底5上方或在与衬底5相接之前仅具有介电层。该层8b的导体可以例如由与将量子位的纳米线连接在一起的超导体的岛相同的超导体并且利用缝合位置步骤形成(参见下文)。图1还示出了形成于填充物层的顶部的示例顶层或电路装置8t。该层可以例如包括通向设备的外部的触点，诸如用于连接到外部装备(未示出)。图1还图示了一个或多个非有源竖直纳米线7x，这些非有源竖直纳米线因其特性而未被用作量子组件，而是被用作电路装置的上层与下层8b、8t之间的通孔。可以使用类似技术来部分地通过设备的层6连接到电路装置的中间层。

注意：在一些实施例中，控制线或其他此电路装置8可以形成于不同层中，这是由于每个量子位都需要大量的栅极，并且空间非常迅速地变的有限。

应了解，图1中所示出的电路装置8的层以及实际上纳米线7的布置是高度示意性的，并且旨在图示原理，而非实际电路或量子结构。还应注意，图1不旨在示出必要地直接设置于衬5上的纳米线7。例如，在衬底5与纳米线7之间可以存在一个或多个层，例如介电层。

具有上文所描述的形式的设备2可以用于基于马约拉纳零模(MZM)来实施拓扑量子计算机。在操作中，将腔室2冷却至一温度，在该温度处，有源纳米线7a中的超导体材料10展现出超导性，并且电磁体4被操作以在与纳米线7a的轴平行的方向上施加磁场B，或至少在与有源纳米线7a的轴平行的方向上具有实质组件。这在有源纳米线7a中的每个有源纳米线中诱发一个或多个MZM，从而使得其能够例如作为基于MZM的量子位或此类量子位的网络的一部分发挥其作用。在实施例中，诱发一对MZM，在纳米线的每一端处诱发一个MZM。在采用竖直纳米线7的实施例中，可以利用在底端(最接近衬底5)出现的MZM来提供所需量子操作，例如作为量子位的一部分。

应注意，在所公开的全壳布置中，接着，不同于常规纳米线，由于超导壳10完全屏蔽了通向内部的任何磁场，因此不必通过静电势将全壳线调谐到拓扑相中或拓扑相之外。相反，将要处于拓扑的有源全壳线7a具有可复制的生长，以使得全壳线可以进入拓扑相。考虑到本文中所公开的发现，全壳纳米线支持MZM，能够从广泛范围的值中以分析方式或通过实验选择B场、自旋轨道耦合、化学势、半径和温度的合适值，以使得这些参数在拓扑相内部(例如参见图1至图4以及图16至图19A以及相关联的工作)。发明人已经执行了模拟，其证明可以在广泛范围的此类参数内获得拓扑相(也参见图19B和图24B)。进一步地，可以仅使用比先前设备所需的磁场弱得多的磁场B来诱发拓扑相。沿着线方向施加场。最小值取决于线的半径，但通常约为100mT。这与半壳纳米线不同，在半壳纳米线中，纳米线的一部分未被超导体壳覆盖，并且电场穿透半导体芯中。

在全壳情况下可能仍然涉及控制马约拉纳量子位的充电能量并且静电改变岛上的所诱发的电荷。为此，仅需要弱电场，而为了改变能带结构，人们需要施加非常大的电场。这是指连接纳米线7的超导岛(例如通过一个或两个电子)的门控，这可能需要控制该岛的电荷，以保护免受准粒子中毒的影响并且实现读出(如在部分壳的情况下，这比门控更易于改变半导体的化学势以诱发拓扑相，在全壳情况下，这无论如何都是不可能的，这是由于半导体被超导体完全屏蔽)。所讨论的岛可以例如形成于电路装置的下层8b中，其中每个岛将一组有源纳米线7a一起连接到量子位中(参见下文)。该门控可以例如通过门控全壳线和/或连接全壳线的超导结构(例如螺旋)而在岛上的任何位置进行。可以通过接近全壳线的栅极施加电场。栅极的确切位置并不重要。优选地，栅极应仅接近于全壳表面的区域的一小部分(尽管较大区域会增加与栅极的耦合，从而减少所需的电压变化)。

图1A图示了具有完整的超导壳10的半导体纳米线芯9，其受到弱轴向磁场B的限制。中心区域指示在半导体芯9内可能存在可选的绝缘(子)芯11(沿着其中心轴与半导体芯9轴向)。R

具有径向自旋轨道耦合的此全壳纳米线的哈密顿量可以建模如下。

第一项

系统具有旋转对称：以上BdG(Bogoliubov de Genes)哈密顿量用以下广义角动量算符进行交换：

其中L

为了获得与角度无关的哈密顿量，可以通过执行以下统一变换来去除角依赖性。

在每个m

应注意，表示Rashba耦合强度的Rashba项

图1B图示了薄壳极限，其中R

哈密顿量变得简化：

其中

该哈密顿量具有标准1D模型的全部要素。这给出了拓扑相的可能性。

注意：马约拉纳解属于m

图2示出了在作为绕组数的n＝1的解的壳极限内的模拟拓扑相图。左侧面板示出了随μ和α而变的整体能隙E

虚线指示在

现在考虑完整的半导体芯极限R

其中第一项

图3(a)示出了R

图4示出了模拟马约拉纳分裂能和相干长度。图4(a)示出了具有与图3中相同的参数的完整芯模型的马约拉纳相干长度。通过在3μm的长度的线中拟合马约拉纳波函数的指数衰减来获得相干长度。虚线表示m

如上文所示出的，全壳纳米线在广泛范围的参数中支持马约拉纳零模，因此人们可以出于量子计算目的而使用这些系统。

在不具有超导体的完整涂层的常规纳米线中，MZM的诱发是由于磁场B的自旋效应。但是，在全壳纳米线7中，MZM的诱发是由于磁场B与借助于磁场B的轨道效应的超导相的绕组之间的耦合。其结果在于，可以在磁场的明显较低的幅度下诱发MZM。因此，这允许量子设备或计算机与较低磁场一起工作。

Karzig et al等人在(Phys.Rev.B 95,235305(2017年)“Scalable designs forquasiparticle-poisoning-protected topological quantum computation

with Majorana zero modes(马约拉纳零模的准粒子中毒保护的拓扑量子计算的可扩展的设计)”中概述的想法也在该情况下应用。实际上，通过将拓扑(T)和非拓扑(例如常规s波(S))分段组合，人们可以构建具有有限的充电能量和马约拉纳诱发的基态简并性的超导岛。除了Karzig等人阐释的平坦设计(2017年)之外，全壳纳米线允许竖直设计。以下图示了将拓扑线的竖直“森林”并入于量子位和计算机设计中的若干布置。接着，以下是对示例制造方法和途径的描述，可以遵循这些示例制造方法和途径以将这些设计实现为设备。

竖直半导体纳米线7可以用于多个量子计算应用。例如，具有完整或部分壳的竖直纳米线7可以托管马约拉纳零模(MZM)，该马约拉纳零模在组合于超导岛中时变为量子位(四元体，4MZM)、六邻体(6MZM)或更大的量子希尔伯特(Hilbert)空间。

具有或不具有壳的竖直纳米线7还可以充当不同平面(例如半导体、触点和/或栅极平面)之间的连接器，从而为针对量子计算机的量子扇区中的布局和空间问题的可扩展的3D集成解决方案提供有价值的工具。

作为另一示例，具有完整或部分壳的竖直半导体纳米线7也可以充当常规量子位，例如Gatemons，并且以此身份为解决3D集成问题做出贡献。

图5(a)图示了四元体量子位的示例设计。图5(b)图示了六邻体的示例设计，六邻体是量子位加上附属量子位。设计采用竖直几何形状。在任一情况下，每个四元体或六邻体都包括可以形成于衬底5的平面中的半导体网络14的一部分。半导体网络14可以部分地或全部地由与纳米线9相同的半导体材料(例如InAs或InSb)形成。每个四元体或六邻体还包括超导岛15，该超导岛也可以形成于衬底5的平面中。超导岛可以部分地或全部地由与用于形成纳米线涂层10的材料相同的超导体材料(例如Al或Nb)形成。每个四元体或六邻体还包括多个竖直纳米线7a，这些竖直纳米线布置成被调用到拓扑相(有源纳米线)中，形成为与衬底5的平面竖直。每个四元体或六邻体也可以可选地包括多个全壳纳米线7x中的一个全壳纳米线，该全壳纳米线与半导体网络14断开但连接到电压源并且充当电栅极。

四元体包括四根竖直有源纳米线7a。六邻体包括六根有源拓扑纳米线7a。在任一情况下，每个纳米线具有连接到超导岛15的一端。在实施例中，岛15包括超导体材料的多个“臂”，这些臂在公共点(例如岛15的中心)处彼此连接，但以其他方式彼此分开。例如，在实施例中，臂可以采用同心螺旋臂的形式。每个有源纳米线7a在其下端(最接近衬底5的一端)连接到超导体岛15的臂中的不同的相应臂的远端，例如螺旋臂中的相应螺旋臂的一端。半导体网络14在一个或多个点处(例如在有源纳米线7a与超导体岛15相接的点中的一个或多个点(例如两个、更多个或全部此类点)处)与超导体岛15连接。在实施例中，这处于超导体臂中的一个、两个、更多个或全部臂的远端处。

借助于此类布置或类似布置，接着，在与有源纳米线7a竖直的磁场分量B的条件下，可以在每个此拓扑纳米线7a中调用一对MZM13，在每一端处调用一个MZM。

将超导岛15布置成细臂(例如螺旋臂)是有用的(但并非必需的)，这是由于其有助于防止由于准粒子中毒(quasiparticle poisoning)而形成的涡流，即，可以将超导体15驱动到正相中从而阻碍MZM的形成的循环电流。

图6图示了在包括六邻体网络的量子设备的情况下的示例晶圆的俯视图。超导体(例如Al)岛15链接晶圆上的六个MZM 13，以形成“昆虫”(具有六个支腿——换言之，六个MZM通过中心体连接)。附加的六个MZM 13竖直地位于全壳线7a的顶端的上方。后者是解耦合的。螺旋使MZM杂化最小化，使在密集螺旋的极限处的充电能量E

注意：在B为竖直且弱的情况下，对“梳状设计”的许多约束得以放松，从而允许六边形对称。还应注意：由于超导体的晶格结构，例如铝)，超导体岛15的螺旋形式可能并不一定是连续弯曲的，而是具有一系列笔直的边缘。本文中的术语“螺旋”并不一定暗示优选地连续弯曲。

图8示出了针对包括六邻体网络的量子设备的另一示例设计中的晶圆的俯视图。此处，超导体岛15的臂不采用螺旋的形式，而是采用径向臂的形式，但其设计与相对于图6所描述的设计相同。径向臂的作用类似于螺旋，这是因为径向臂使MZM杂化最小化，使充电能量E

图10示出了与图6和图7的六邻体布置类似的四元体的正方形布局的俯视图，但四元体按半导体岛15仅包括四个有源竖直纳米线而非六个，并且四元体由半导体14的正方形或八边形单元而非六边形梳链接。每个半导体岛(例如Al)15支持四个加四个MZM(在每个有源竖直纳米线7a中的每一端处支持一个MZM)。半导体网络14中的隧道结可以由如图7和图9的细节中所示出的其他竖直全壳纳米线7x进行栅极控制。图10的设计的优点是超导体岛15略小且充电能量E

图11示出了四元体的正方形布局的另一俯视图，其与图10的四元体布置类似，但是如同图8中，具有径向臂而非螺旋臂15。同样，半导体网络14中的隧道结可以由如图7和图9的细节中所示出的其他竖直全壳纳米线7x进行栅极控制。图10的设计的优点是超导体岛15略小且充电能量E

图12图示了一些示例制造步骤，其可以用于形成具有本文中所公开的结构的设备，诸如图1至图1B或图5至图11的设备。图12包括制造步骤，以产生在所公开的设计的脊部或峭壁上的选择性区域生长(SAG)的或气液固(VLS)超导体。

步骤i)开始于衬底5和形成于衬底5上方的介电层17，其中蚀刻窗口22形成为穿过介电质17，以进行选择性区域生长(SAG)。这些窗口22放置于其中竖直纳米线7将要生长的位置(针对每个此纳米线7放置一个窗口22)。介电质17可以是任何合适的介电绝缘体。可以使用任何合适的已知蚀刻工艺来执行窗口的蚀刻。

方法从步骤i)继续进行至步骤ii)或ii’)。无论哪种方式，在该下一步骤中，用沟槽23蚀刻衬底5。可以使用任何合适的已知蚀刻工艺。在变型ii)中，施加介电质17的另一层，其覆盖沟槽23的内表面。在变型ii)’中，可以施加介电质17的另一层，但如果如此，那么其不覆盖沟槽23。任何合适的选择性沉积技术都可以用于例如使用掩模来施加介电质的另一层。在步骤ii)或ii’)中施加的介电材料17可以与在步骤i)中施加的介电材料相同。

方法接着从步骤ii)继续进行到步骤iii)或从步骤ii’)继续进行到步骤iii’)。在任一变型中，此处，在窗口22中形成半导体材料18的一部分，该窗口在步骤i)中针对每个竖直纳米线7而形成。使用选择性区域生长(SAG)来沉积该半导体18。在变型iii’)中，可以将半导体材料18沉积于沟槽23的内表面中。可以使用与用于填充窗口的半导体材料相同的半导体材料18，并且也可以使用SAG。窗口22和沟槽23中的半导体18的部分可以形成于相同SAG步骤中。

方法接着从步骤iii)继续进行到步骤iv)或从步骤iii’)继续进行到步骤iv’)。在任一变型中，该步骤包括：使用VLS在SAG条件下竖直地生长线的芯9来从半导体材料18中生长纳米线7的半导体芯9。用于以此方式形成纳米线芯9的半导体材料18可以与分别在步骤iii)或iii’)中使用的半导体材料(例如InSb或InAs)相同。

方法接着从步骤iv)继续进行到步骤v)或从步骤iv’)继续进行到步骤v’)。在任一变型中，该步骤包括：将超导体材料19沉积于介电质17和竖直纳米线7的芯9上。超导体材料19可以是例如Al或Nb。沉积可以通过具有掠射角的半导体材料19的角度沉积来进行。图12v’)示出了超导体材料的光束通量。光束通量也可以在v)中使用，但出于简化图示起见并未示出。为了完全覆盖线，可以将光束或晶圆旋转(同时保持掠射角以免填充沟槽)。取决于角度，如果存在于沟槽23中，那么超导体19可以或可以不与半导体18相接。形成于纳米线7的芯9上的超导体材料19形成涂层10。可以使晶圆或光束中的任一者旋转，以便实现围绕竖直纳米线7的全壳10。形成于衬底5的平面中的超导体材料19的区域可以用于形成超导岛15。

取决于应用，可能期望在沟槽23中生长半导体18(例如以保护量子点免受超导体沉积)或使沟槽23保持无半导体生长(例如以提供更佳的电绝缘)。这分别是未装填(ii-v)和装填(ii’-v’)的情况。

可以使用除分别用于形成竖直纳米线7的芯9和涂层10的半导体和超导体以外的半导体18和超导体19来形成电路装置8的层中的一个层(诸如电路装置的底层8b)的部分或全部。如所提及的，这可以包括超导岛15，半导体18中的量子点、半导体网络14的其他部分、栅极16、用于门控的触点和/或其他触点(例如外部触点)。备选地或附加地，可以在一个或多个后续步骤中，在形成在衬底5上方的一个或多个其他层6中形成这些组件和/或其他组件中的一些或全部组件的部分或全部。

图13图示了用于全部底层控件的一个示例设计的等距视图。此处，可以在SAG底部平面中的超导体19中蚀刻任何任意图案。虚线圆示出了衬底5与超导体层19之间的半导体层18的侧视图。可以使用VLS形成纳米线芯9。可以使用SAG形成衬底5的平面中的半导体18的其他区域。在图13中未示出介电层17，但应理解，介电层17可以存在于实施例中。

图14图示了可以在实施例中采用的一些其他设计特征。图14(a)示出了晶圆的侧视图，其中已经将填充物材料20沉积于半导体层18、超导体层19和电路装置的底层8b的任何其他部分上方。填充物材料20可以是例如蜡或塑料，诸如PMMA。填充物材料用于在最终的成品设备2中机械地支撑竖直纳米线7。电路装置的底层8b可以包括一个或多个部分(例如半导体)，这些部分适用于与外部装备(未示出)形成一个或多个外部触点21b。电路装置的顶层8t可以形成于填充物材料20上方。电路装置的顶层18t可以包括一个或多个部分(例如超导体19)，这些部分适用于与外部装备形成一个或多个外部触点2lt。图14(b)示出了类似布置，备选地或附加地，该布置包括电路装置的至少一个中间层8i，在该中间层下方和上方形成有填充物20。电路装置的中间层8i可以包括用于与外部装备形成一个或多个外部触点21i的一个或多个部分(例如半导体19)。由电路装置8的底层、中间层和/或顶层形成的外部触点21可以例如用于控制量子位(诸如用于门控)和/或进行测量和/或供应电力以向设备2供电。例如，在实施例中，电路装置8i的中间层可以包括门控平面。图14(c)示出了另一示例的等距视图，在该情况下，栅极16的触点24形成于填充物20上方的电路装置8t的顶层中。该触点24可以用于施加由外部装备出于门控目的控制的电势。备选地，可以在电路装置8的中间层8i或底层8b中的填充物之间形成栅极触点24。

其他讨论

如上文所描述的，本公开描述了一种新型模型系统，该新型模型系统基于具有完整的超导壳的半导体纳米线来支持马约拉纳零模。此表明，在存在径向自旋轨道场的情况下，超导阶参数的绕组足以将系统驱动到拓扑相中，从而显著地减少所需磁场的幅度。所产生的拓扑相在大的化学势范围内持续存在，从而在易于制造和可复制的材料质量的实验系统中为实现马约拉纳零模开辟了路径。

马约拉纳零模(MZM)有望通过拓扑量子信息处理彻底改变量子计算。在过去十年中，MZM的研究已演变为现代凝聚态物理中的最活跃的领域中的一个领域，在其实验实现和理论理解方面取得了惊人的进步。通过提出简单的、实验上可行的系统大大地推动了该活动。特别有前景的路线涉及接近的半导体纳米线(例如参见Lutchyn等人于2010年8月13日发表在《物理评论快报》105，077001(2010年)的“Majorana Fermions and a TopologicalPhase Transition in Semiconductor-Superconductor Heterostructures(半导体-超导体异质结构中的马约拉纳费米子和拓扑相变)”)。这些方案中的基本要素非常简单：自旋轨道耦合、Zeeman场以及所诱发的超导性。虽然如此，大(约1T)磁场与超导性的所需共存以及对半导体中的化学势的仔细控制的需要对于在纳米制造设备中的MZM的始终如一的实现提出了重大挑战，从而需要不断进行实验性改进。

在本公开中，描述了被超导壳完全覆盖的半导体纳米线，作为实现MZM的备选结构。虽然具有与(例如Lutchyn等人的)原始纳米线提议类似的简单性和实践可行性，但全壳纳米线可以用于提供若干关键优点中的任何一个或多个优点。首先，全壳线中的拓扑变换是由超导阶参数的场诱发的绕组(而非由Zeeman效应)驱动，因此所需的磁场可能非常低(约0.1T)。而且，全壳自然地保护了半导体免受杂质和随机表面掺杂的影响，从而实现了生长具有基本上相同的特性的许多线的可再生的方式。尽管全壳线不允许对半导体芯中的电子密度进行直接静电门控，但下文证明了，经由仔细设计线特性(例如通过选择正确半径)，能够获得在某一磁场下自然地包含MZM的线。

已知的是，可以使用精心选择的超导相差或涡旋来打破时间反转对称并且将MZM定位于拓扑绝缘体和半导体异质结构中，但对应实现通常需要对通量进行仔细调谐，这会使具有多个MZM的可扩展的途径复杂化(参见Karzig等人的以上参考文献)。此处，表明了全壳线中的量化的超导绕组数是所需相位差的自然并且更稳健的实施方式，从而产生拓扑相空间的相当大的区域。下面，首先在中空线的简单模型中证明了这些想法，其中对拓扑超导体的标准模型的分析映射是可能的。接着用相反状态下的拓扑相的数值和分析研究补充这些结果，其中电子密度分散在整个半导体芯上。

理论模型：考虑了由半导体(SM)芯和完整的超导(SC)壳组成的纳米线，如图1A中所图示的。这图示了具有完整的超导壳10的半导体纳米线芯9，其经受左下方的弱的轴向磁场B的限制。在横截面的细节中，r＜R

假设由于半导体-超导体界面处的固有电场，因此半导体(例如InAs)具有大Rashba自旋轨道耦合。系统经受沿着纳米线

此处，

由于在半导体-超导体(SM-SC)界面处的Andreev工艺，因此壳(例如由Al制成)在纳米线中诱发了超导相关。如果与超导体的耦合是弱的，那么可以将纳米线中的所诱发的配对表达为局部电势

假设SC壳的厚度小于London穿透深度：R

注意BdG哈密顿量的以下旋转对称：

[J

其中，引入了在Nambu空间中起作用的τi矩阵。H

波函数必须是单值的，这对m

现在，经由统一变换

应注意，朴素地，人们将期望对自旋轨道耦合进行平均化。然而，m

现在表明，以上BdG哈密顿量支持拓扑超导性和马约拉纳零模。首先，注意，粒子-空穴对称涉及具有相反的能量和角量子数m

中空圆柱模型：现在将重点放在半导体形成薄壁中空圆柱的极限(即，图1A和图15中的R1≈R2)上。该近似是受到以下事实激励的：在一些半导体-超导体异质结构(诸如InAs/Al)中存在积累层，以使得电子密度集中于与界面相距屏蔽长度(约20nm)内。在该情况下，人们可以仅考虑方程(6)中的最低能量径向模式。这允许模型的分析解。如果人们考虑到针对n＝1的扇区m

此处，Δ＝Δ(R2)和有效化学势和Zeeman能量定义为：

注意，当芯被一个通量量子穿透时(即，Φ(R

人们可以将方程(7)映射至马约拉纳纳米线模型(例如Lutchyn等人在上文所引用的文献的模型)，并且通过计算拓扑指数Q来确定拓扑相图。平凡(Q＝1)超导相与非平凡(Q＝-1)超导相之间的拓扑量子相变在以下情况下出现：

在图16中示出了所产生的相图，其中利用虚线指示在m

接近于变换，准粒子光谱由m

人们可以使用方程

明确定义的拓扑相要求准粒子体隙在全部角动量信道中是有限的，且不仅是对于m

完整的圆柱模型：现在考虑电子密度在半导体芯中为均匀的情况(即，图1A和图15中R

图17示出了具有适合于InAs-Al混合半超导体纳米线的参数的完整的圆柱模型的拓扑相图。面板(a)示出了R

如同在中空圆柱模型中，人们找到了稳定的拓扑相，该拓扑相在相当大的化学势范围内扩展并且最大拓扑间隙约为30μeV。如同先前的情况，由于m

图18(a)中示出了有限线的端部处的随磁场而变的局部状态密度(DOS)的演变。面板(a)示出了对于μ＝1.1meV、α＝30meVnm和与图17(b)中相同的参数(Φ(R

随着通量Φ(R

在图18(b)中，研究了由于有限纳米线长度(L 3μm)而造成的马约拉纳杂化，并且通过拟合马约拉纳波函数来提取相干长度，参见插图。尽管图17的拓扑间隙相对小，但人们还是找到了短的马约拉纳相干长度，其中最小相干长度约为250nm，这与图17(c)的整体态的小群速相关。

现在考虑到使上文所讨论的角对称破裂的扰动。此类扰动(例如超导壳中的无序或其他缺陷)在实际设备中无处不在，并且将会耦合不同的m

图19A中的面板(a)示出了具有与图17中相同的参数的无序的完整圆柱模型的拓扑相图。为了实现圆柱对称破裂扰动，哈密顿量(2)在二维横截面中在a＝10nm的正方形晶格上离散化。超导体中的每个晶格位点上的无序电势δU均匀地分布δU∈[-U，U]，其中U＝2meV。在十二种无序配置中，对间隙乘以拓扑指数求平均值。红色虚线指示不存在无序的相边界。面板(b)示出了α＝35eVnm和μ＝1.5meV下的能带结构，其用于从上到下地增加无序强度，U＝{0,2,4}meV。示出了单个无序配置。

事实上，发明人已经发现，全壳纳米线中的拓扑相的相空间非常大，从而在广泛范围的参数(B场、自旋轨道耦合、化学势、半径和温度)内支持MZM。这在图19B中得以证明。

图19B示出了角对称破裂扰动对相位图的影响的研究结果。此类扰动(例如超导壳中的形状变形或无序)在实际设备中无处不在，并且将会耦合不同的m

图19B的面板(b)示出了使用Φ(R

综上所述，上文已经研究了新颖的物理系统，该物理系统基于被超导壳覆盖的半导体纳米线来支持马约拉纳零模。使用分析方法与数值方法的组合，已经计算出拓扑相图，并且表明模型在相当大的参数空间中支持稳健的拓扑超导性。拓扑相可以通过计算准粒子间隙和有效相干长度来进行表征。全壳纳米线中的易于获得的稳健拓扑相的存在为实现拓扑量子计算设备开辟了道路。

在该部分中，考虑了无序的超导壳(例如A1壳)，其内半径和外半径分别为R

此处，

其中Φ(r)＝πBr2且Φ0＝h/2e。从该论据中可得出，方程(A1)的解应该对Φ

由于感兴趣的典型磁场小于100mT(对此Zeeman分裂可忽略不计)，因此Zeeman贡献可以忽略不计。

图20示出了不具有半导体芯的、R

为了理解准粒子间隙的磁场依赖性，人们需要计算无序的SC壳的随

其中H＝eB/4m且m

函数

其中，τ是弹性散射时间且

其中

该估计与数值计算一致，参见图20。

在前一部分中推导了无序的超导环的Green函数。人们现在可以使用这些结果来研究SC环对半导体芯产生的接近效应。此处考虑SC壳为薄的d～le以使得

人们现在可以集成超导自由度，并计算由于半导体与超导体之间的隧道效应而产生的有效自能量。在△

其中r和r’分别是指SM和SC域。T(r，r’)是两个子系统之间的隧穿矩阵元素，并且Ψ和

其中，Γ(r)是远离r＝R

半导体的Green函数可以表示为：

G

为了计算准粒子能谱，人们必须找到Green函数上方的极点。

在中空圆柱极限中，Γ(r＝R

通过与方程(2)进行比较，人们可以建立半导体的重整化(renormalized)参数和裸(bare)参数与接近诱发间隙△＝Δ

如上文所证明，具有较大m

其中：

其中，定义了

从方程(C1)中观察到，不同的m

当在不存在配对项Δτ

在对于自旋本征值σ

|A

-μ

其中β

人们可以通过观察到针对足够大的m

这些考虑在图21中得到了验证，图21示出了由方程(C6)和(C7)预测的边界与图16中所报告的间隙的数值模拟(使用β

图21示出了中空圆柱模型的随μ和α而变的相图，如同在图16的左侧面板中。轮廓线图示了对于相图的有间隙的区域的边界的分析估计。图的底部处的水平虚线和倾斜虚线由条件(C6)和(C7)针对m

从数值角度看，考虑到人们必须求解ω的非线性方程，对于极点的方程(B3)的解不是最佳的。因此，人们可以采用将SM耦合至人造清洁超导体的备选途径。人们可以将参数用于超导体和隧穿哈密顿量，以使得在最终方程(B3)中在积分出SC自由度之后得以再生。

为了获得正确的自能量方程(B2)，需要使模拟的洁净超导体的厚度明显大于相干长度。这通过使用R

此处，Φ(R

在该部分中，考虑了先前所讨论的完整的圆柱极限(图1A和图15中的R

而且，与中空圆柱极限不同，人们必须求解方程(E1)的径向部分。引入了无量纲变量b＝eBR

考虑了极限

其中，变换系数U

Uλ，pz，σ(r)＝uλ，σ(pz)fλ，σ(r) (E3)

Vλ，pz，σ(r)＝vλ，σ(pZ)fλ，σ(r) (E4)

其中单粒子波函数f

b中的线性项表示恒定能量移位：

在引入无量纲坐标x＝r/R2和无量纲能量κ

满足边界条件fλ，σ(x＝1)＝0的该方程的归一化本征态为：

此处，

对应本征值为：

其中K

应注意，b的不同值将影响以上报告的数值系数。

在极限

其中有效参数由下式给出：

其中根据重叠积分给出数值常数A

人们可以注意到，与中空圆柱模型相反，Zeeman项在b＝1(即，一个通量量子)时保持有限。如在正文中所提及的，这是因为半导体态通过半导体芯分布，而非局限于r＝R

因此，已经表明，完整的圆柱模型也映射到(例如Lutchyn等人的)马约拉纳纳米线模型上并且支持拓扑超导相。从拓扑平凡(即，s波)到非平凡(即，p波)相的拓扑量子相变出现在：

应注意，这仅考虑了m

图22示出了最低能量上自旋(虚线)和下自旋(实心)模式的概率密度。

图23示出了(a)：针对与图18(b)中相同的参数，线的中间的随通量而变的DOS，以及(b)：在μ＝1.5meV和α＝40meVnm下的线的端部的随通量而变的DOS。

为了理解同一瓣内的与磁通量成函数关系的拓扑相变，研究计算的整体DOS(例如在线的中间)很有用。考虑到图23(a)中的n＝1瓣，其中拓扑相变通过闭合整体而显现出其自身。在图18中所示出的线的端部处比较整体DOS和局部DOS也是有启发作用的。人们可以注意到相对于瓣的中心的不对称性，该不对称性是由于半导体态和超导态对此处产生的不同依赖性。

该不对称性取决于参数，并且在图23(b)中示出了不同集合的边界DOS，其中零偏置峰值遍布整个n＝1和n＝3瓣延伸。然而，应注意，根据图17(a)，系统对于Φ(R

附录G：关于无序系统的数值模拟的细节。

对于图19A至19B中的无序模拟，Kwant封包已经用于使用10nm的晶格间距离散化二维正方形晶格上的哈密顿量方程(2)。假设系统沿着z方向平移不变，其中无序配置沿着z轴重复。之所以需要该技巧，是由于完整的3D模拟对计算的要求过高。为了适应更高的计算成本，我们在这些模拟中使用了1.5μm的较小R

应了解，以上实施例仅通过示例方式进行了描述。

更一般而言，根据本公开的第一方面的一个定义，可以提供一种设备，包括：一个或多个半导体-超导体纳米线，一个或多个半导体-超导体纳米线各自包括一定长度的半导体材料和被涂覆于半导体材料上的超导体材料的涂层；其中一个、一些或全部纳米线中的每个纳米线是全壳纳米线，超导体材料沿着半导体材料的长度中的一些或全部长度围绕半导体材料的整个周边被涂覆；以及其中设备可操作以通过施加与有源纳米线平行的磁场分量来在纳米线中的一个或多个有源纳米线中诱发至少一个马约拉纳零模MZM，纳米线中的一个或多个有源纳米线包括全壳纳米线中的至少一个或多个全壳纳米线。

在实施例中，该设备可操作以至少通过从设备外部施加磁场分量来诱发MZM。

该设备可以包括衬底和被形成于衬底上方的一个或多个层，其中纳米线可以被形成于所述层中的一个或多个层中。

在实施例中，全壳纳米线中的一个、一些或全部全壳纳米线可以相对于衬底为竖直的。该设备可以包括被设置于竖直纳米线之间的至少一层填充物材料，用以机械地支撑竖直纳米线。

在实施例中，全壳纳米线中的一个、一些或全部全壳纳米线可以在衬底的平面中是水平的。

在实施例中，该设备还可以包括被形成于所述层中的一个或多个层中的电路装置的一个或多个层，该电路装置的一个或多个层用于将纳米线一起连接到量子结构中、控制纳米线或量子结构和/或从纳米线或量子结构中进行测量。

在实施例中，纳米线中的除有源纳米线以外的一个或多个纳米线可以被布置为：在电路装置的层之间或在电路装置的层与设备的外部之间的导电通孔。

在实施例中，电路装置的一个或多个层可以包括连接有源纳米线的半导体网络，以用于打开或关闭半导体网络中的隧道结。

在实施例中，该设备可以包括一个或多个量子位，每个量子位包括有源纳米线中的多个纳米线，其中每个量子位中的多个纳米线中的一个、一些或全部纳米线是全壳纳米线。在一些此类实施例中，量子位中的每个量子位可以是以下项中的任一项：所述多个为四个的四元体量子位；或所述多个为六个的六邻体量子位。

在实施例中，每个量子位可以包括水平超导岛，水平超导岛形成于与衬底平行的平面中，其中超导岛被划分为臂，该臂分别将量子位中的多个竖直纳米线中的相应竖直纳米线的下端接合至超导岛的公共点。在一些此类实施例中，臂可以采用同心螺旋臂的形式。

在实施例中，每个量子位的超导岛可以由与纳米线的涂层相同的超导体材料形成。

根据第一方面的另一定义，可以提供一种如定义为操作所公开的设备的方法，该方法包括：施加与有源纳米线平行的磁场分量，以便在有源纳米线中的每个有源纳米线中诱至少一个MZM；其中所述诱发包括由通过有源纳米线的磁场分量的磁通量引入的、超导体材料的超导相的绕组耦合至磁场分量，以便借助于磁场分量的轨道效应来诱发拓扑相。耦合如同存在强Zeeman场一般发挥作用。

该方法还可以包括：将设备制冷以诱发超导体材料中的超导性。

根据第二方面的一个定义，可以提供一种设备，包括：限定平面的衬底；被形成于衬底上方的一个或多个层；以及被形成于层中的一个或多个层中的一个或多个半导体-超导体纳米线；其中纳米线中的每个纳米线包括一定长度的半导体材料和被涂覆于半导体材料的至少一部分上的超导体材料的涂层；以及其中纳米线中的一个、一些或全部纳米线中的每个纳米线相对于衬底的平面为竖直的。

在实施例中，一个、一些或全部纳米线中的每个纳米线可以是全壳纳米线，超导体材料沿着半导体材料的长度中的一些或全部长度围绕半导体材料的整个周边被涂覆。

在实施例中，该设备可操作以通过施加与有源纳米线平行的磁场分量来在纳米线中的一个或多个有源纳米线中诱发至少一个MZM。

在实施例中，MZM可以被形成于每个有源纳米线的每一端处。

在实施例中，有源纳米线可以包括全壳纳米线中的一个或多个全壳纳米线。

在实施例中，该设备可以包括一个或多个量子位，每个量子位包括多个有源纳米线。

在实施例中，每个量子位中的多个纳米线中的一个、一些或全部纳米线可以是全壳纳米线。

在实施例中，量子位中的一个、一些或全部量子位可以是基于MZM的量子位。在一些此类实施例中，基于MZM的量子位中的一个、一些或全部基于MZM的量子位中的每个基于MZM的量子位可以是以下项中的任一项：所述多个为四个的四元体量子位；或所述多个为六个的六邻体量子位。

在实施例中，每个量子位可以包括水平超导岛，水平超导岛形成于与衬底平行的平面中，其中超导岛被划分为臂，该臂分别将量子位中的多个竖直纳米线中的相应竖直纳米线的下端接合至超导岛的公共点。在一些此类实施例中，臂可以采用同心螺旋臂的形式。

在实施例中，该设备还可以包括形成于所述层中的一个或多个层中的电路装置的一个或多个层，该电路装置的一个或多个层用于将纳米线一起连接到量子结构中、控制纳米线或量子结构和/或从纳米线或量子结构中进行测量。

在实施例中，纳米线中的非有源纳米线中的一个或多个非有源纳米线可以被布置为：在电路装置的层之间或在电路装置的层与设备的外部之间的导电通孔。

在实施例中，量子位中的一个、一些或全部量子位可以是基于传输子或门控子的量子位。

在实施例中，晶圆的层可以包括设置于竖直纳米线之间的至少一层填充物材料，用以机械地支撑竖直纳米线。

根据第二方面的另一定义，可以提供一种制造设备的方法，该方法包括：设置衬底；生长与衬底垂直的半导体材料的竖直长度；随后用超导体材料涂覆半导体材料的竖直长度中的至少一些长度中的每个长度的至少一部分，从而形成竖直半导体-超导体纳米线；以及在完成设备后，使竖直纳米线相对于衬底保持竖直定向。

在实施例中，该方法可以包括：在所述生长之后，在竖直纳米线周围形成电路以形成一个或多个量子位，每个量子位包括多个竖直纳米线。

在实施例中，设备的所述完成可以包括以下项中的任何一项、多项或全部项：在竖直纳米线中的一些或全部竖直纳米线中的每个竖直纳米线的顶端形成栅极或触点；在竖直纳米线之间沉积填充物材料；和/或将设备封装于集成电路封装中。

在实施例中，可以使用气液固VLS生长工艺来执行所述生长。

在实施例中，该方法可以用于制造根据本文中所公开的第一方面或第二方面的任何实施例的设备。

在第一方面或第二方面中的任一方面中，通过示例实施方式，半导体材料可以是InAS或InSb。半导体材料可以是Al或Nb。连接每个量子位的纳米线的超导岛可以由与纳米线的涂层相同的超导体材料形成。填充物材料是塑料或蜡。纳米线之间的栅极、触点和/或电路装置可以由金属或半导体形成。每个有源纳米线中所诱发的至少一个MZM可以是一对MZM。在竖直量子位设计的情况下，该对中的较低MZM可以是量子位的有效MZM。可以将设备封装于集成电路封装中。

在实施例中，可以提供一种量子计算机，包括：第一方面或第二方面的任何实施例的所公开的设备；以及电磁体，被布置成施加与有源纳米线平行的磁场分量。量子计算机可以包括冷藏室，将设备放置于冷藏室中以便诱发超导体中的超导性。

一旦给出本文中的公开内容，所公开的技术或结构的其他应用或变型对于本领域的技术人员而言可以变得显而易见。本公开的范围不受上文所描述的实施例而被限制。