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量子比特网络安全标识

阅读：834发布：2020-05-11

专利汇可以提供量子比特网络安全标识专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种技术涉及超导芯片。每个谐振单元包括约瑟夫森结。谐振单元具有谐振频率，其差异基于约瑟夫森结的变化。传输介质耦合到谐振单元，并且传输介质被配置为输出谐振频率的序列作为芯片的标识。，下面是量子比特网络安全标识专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种超导芯片，包括：
谐振单元，每个谐振单元包括色散非线性元件，所述谐振单元具有谐振频率，所述谐振频率的差异基于所述色散非线性元件的变化；和
传输介质，耦合到所述谐振单元，所述传输介质被配置为输出所述谐振频率的序列作为所述芯片的标识。
2.根据权利要求1所述的超导芯片，其中所述色散非线性元件是约瑟夫森结。
3.根据权利要求2所述的超导芯片，其中所述谐振单元中的每一个具有所述谐振频率中的单独谐振频率。
4.根据权利要求2或3所述的超导芯片，其中所述约瑟夫森结的变化是约瑟夫森结中不可控制的制造随机性的结果。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的超导芯片，其中，所述谐振单元中的每一个被配置为由所述谐振频率中的单独谐振频率唯一地识别。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的超导芯片，其中，所述谐振单元是超导量子比特。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的超导芯片，其中，所述谐振单元被配置为通过接收射频信号来读出。
8.根据权利要求7所述的超导芯片，其中使用所述射频信号的读出被配置为输出所述谐振频率的序列作为所述超导芯片的标识。
9.根据权利要求2至8中任一项所述的超导芯片，其中，所述传输介质选自一个或多个传输线和微波腔。
10.根据权利要求2至9中任一项所述的超导芯片，其中，所述谐振单元包括电容元件和电感元件。
11.根据权利要求2至10中任一项所述的超导芯片，其中，所述谐振单元被不同地设计以对所述谐振频率进行排序。
12.根据权利要求2至11中任一项所述的超导芯片，其中，每个所述谐振单元中的所述约瑟夫森结被相同地设计，并且所述谐振频率的序列构成物理不可克隆功能。
13.一种形成超导芯片的方法，包括：
形成谐振单元，每个谐振单元包括约瑟夫森结，所述谐振单元具有谐振频率，所述谐振频率的差异基于所述约瑟夫森结的变化；和
提供耦合到所述谐振单元的传输介质，所述传输介质被配置为输出所述谐振频率的序列作为所述超导芯片的标识。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述谐振单元中的每一个具有所述谐振频率中的单独谐振频率。
15.根据权利要求13或14所述的方法，其中所述约瑟夫森结的变化是约瑟夫森结中不可控制的制造随机性的结果。
16.根据权利要求13至15中任一项所述的方法，其中，所述谐振单元中的每一个被配置为由所述谐振频率中的单独谐振频率唯一地识别。
17.根据权利要求13至16中任一项所述的方法，其中，所述谐振单元是超导量子比特。
18.根据权利要求13至17中任一项所述的方法，其中，所述谐振单元被配置为通过接收射频信号来读出。
19.根据权利要求18所述的方法，其中使用所述射频信号的读出被配置为输出所述谐振频率的序列作为所述超导芯片的标识。
20.根据权利要求13至19中任一项所述的方法，其中，所述传输介质选自一个或多个传输线和微波腔。
21.根据权利要求13至20中任一项所述的方法，其中，所述谐振单元包括电容元件和电感元件。
22.根据权利要求13至21中任一项所述的方法，其中，所述谐振单元被不同地设计以对所述谐振频率进行排序。
23.根据权利要求13至22中任一项所述的方法，其中，每个谐振单元中的所述约瑟夫森结被相同地设计，并且所述谐振频率的序列构成物理不可克隆功能。
24.一种识别由权利要求13至23中任一项所述的方法形成的超导芯片的方法，所述方法包括：
接收所述谐振频率的序列作为所述超导芯片的标识；和
将从所述超导芯片输出的所述谐振频率的序列识别为与所述超导芯片的所存储标识在预定裕度内的匹配。
25.一种使得识别由权利要求13至23的方法形成的超导芯片的方法，该方法包括：
使所述超导芯片从所述谐振单元提供所述谐振频率的序列；
确定先前存储的序列是与所述谐振频率的序列在预定裕度内的匹配；和，响应于在所述预定裕度内的所述匹配，将具有所述谐振频率的序列的所述超导芯片从具有不同的其他谐振频率的序列的不同超导芯片中识别出来。
26.一种系统，包括：如权利要求1至12中任一项所述的超导芯片。

说明书全文

量子比特网络安全标识

背景技术

[0001] 本发明一般涉及超导装置。更具体地，本发明涉及量子比特网络安全标识。

[0002] 在密码学中，物理不可克隆功能(PUF)是实现在物理结构中的物理实体，其易于评估但难以预测。此外，单个PUF装置必须易于制造，但实际上不可能复制，即使可以得知产生它的精确制造过程。在这方面，它是模拟单向功能的硬件。尽管名称是“物理不可克隆功能”，但是一些PUF是可克隆的，并且大多数PUF是有噪声的，因此不能满足功能的要求。在现有技术中，PUF通常在集成电路中实现，并且通常用于具有高安全性要求的应用中。PUF取决于其物理微结构的独特性。这种微结构取决于制造过程中引入的随机物理因素。这些因素是不可预测和无法控制的，这使得实际上不可能复制或克隆该结构。

[0003] PUF不是体现单个加密密钥，而是实施挑战-响应认证以评估该微结构。当物理刺激被施加到结构时，由于刺激与装置的物理微结构的复杂相互作用，它以不可预测(但可重复)的方式作出反应。这种精确的微结构取决于制造过程中引入的物理因素，这些因素是不可预测的。施加的刺激称为挑战，PUF的反应称为响应。特定挑战及其相应的响应形成挑战-响应对(CRP)。装置的身份由微结构本身的属性建立。

[0004] 不可克隆性意味着每个PUF装置具有一个将挑战映射到响应的唯一的和不可预测的方式，即使它是用相同的工艺制造为类似的装置。构建具有与另一给定PUF相同的挑战-响应行为的PUF是不可行的，因为不可能精确控制制造过程。数学不可克隆性意味着在给定其他CRP或来自PUF的随机组件的一些属性的情况下计算未知响应应该非常困难。这是因为响应是由挑战与许多或所有随机组件的复杂交互产生的。需要创建PUF装置的新方法。

发明内容

[0005] 本发明的一个实施例涉及一种超导芯片。超导芯片的非限制性示例包括谐振单元，每个谐振单元包括约瑟夫森结。谐振单元具有谐振频率，其差异基于约瑟夫森结的变化。超导芯片包括耦合到谐振单元的传输介质，并且传输介质被配置为输出谐振频率的序列作为芯片的标识。

[0006] 本发明的另一个实施例涉及一种形成超导芯片的方法。形成超导芯片的方法的非限制性示例包括形成谐振单元，每个谐振单元包括约瑟夫森结，其中谐振单元具有谐振频率，其差异基于约瑟夫森结的变化。该方法包括提供耦合到谐振单元的传输介质，其中传输介质被配置为输出谐振频率的序列作为超导芯片的标识。

[0007] 而本发明的另一个实施方案涉及识别超导芯片的方法。识别超导芯片的方法的非限制性示例包括接收一个谐振频率序列作为超导芯片的标识，其中谐振频率的差异基于超导芯片上的约瑟夫森结的变化。该方法包括将从超导芯片输出的谐振频率的序列识别为与超导芯片的所存储标识在预定裕度(margin)内的匹配。

[0008] 接着，对本发明的进一步的实施方案涉及使得识别超导芯片的方法。使得识别超导芯片的方法的非限制性示例包括使得超导芯片从谐振单元提供谐振频率的序列，其中谐振频率的差异基于谐振单元中的色散非线性元件的变化。该方法包括确定先前存储的序列是与该谐振频率序列在预定裕度内的匹配，并且响应于预定裕度内的匹配，将具有该谐振频率序列的超导芯片从具有不同的其他谐振频率序列的不同超导芯片中识别出来。

[0009] 本发明的另一个实施方案涉及一个系统。该系统的非限制性示例包括具有谐振单元的超导芯片，每个谐振单元包括色散非线性元件，其中谐振单元具有谐振频率，其差异基于色散非线性元件的变化，使得该谐振频率序列是超导芯片的标识。该系统包括耦合到谐振单元的传输介质，其中传输介质被配置为输出该谐振频率序列作为超导芯片的标识。

[0010] 另外的技术特征和优点通过本发明的技术来实现。本文详细描述了本发明的实施方案和方面，并且认为是所要求保护的主题的一部分。为了更好地理解，请参考详细说明和附图。

[0011] 附图简要说明

[0012] 本文所描述的专有权利的细节被特别地指出并清楚地要求保护在本说明书的结尾的权利要求。通过以下结合附图的详细描述，本发明的实施例的前述和其他特征和优点将变得显而易见，其中：

[0013] 图1和2各自示出了根据本发明的提供超导芯片的安全标识的识别系统的示意图；

[0014] 图3和4各自示出了根据本发明的共同寻址谐振单元的识别系统的示意图；

[0015] 图5A至5H各自示出了根据本发明的谐振单元配置的示意图；

[0016] 图6和7各自示出了根据本发明实施例的示例谐振单元阵列；

[0017] 图8示出了根据本发明的超导芯片的示例认证；

[0018] 图9示出了根据本发明的形成超导芯片的方法的流程图；

[0019] 图10和11各自示出了根据本发明的识别超导芯片的方法的流程图；和，

[0020] 图12A和12B以及13A和13B各自示出了根据本发明实施例的超导芯片的认证的示例。

[0021] 本文所描绘的图是说明性的。在不脱离本发明的范围的情况下，可以对图或其中描述的操作进行许多变化。例如，可以以不同的顺序执行动作，或者可以添加、删除或修改动作。而且，术语“耦合”及其变形描述了在两个元件之间具有通信路径，并不意味着元件之间的直接连接而在它们之间没有中间元件/连接。所有这些变化都被认为是说明书的一部分。

[0022] 在附图和以下公开的实施例的详细描述，在附图中示出的各个元件提供有两个或三个数字的附图标记。除了少数例外，每个附图标记的最左边的数字对应于其元件首次被示出的图。

具体实施方式

[0023] 为了简洁起见，与半导体器件和集成电路(IC)制造有关的常规技术可以或可以不在此详细描述。此外，本文描述的各种任务和处理步骤可以合并到更全面的过程或程序中，该过程或程序具有本文未详细描述的附加步骤或功能。特别地，半导体器件和基于半导体的IC的制造中的各种步骤是众所周知的，因此，为了简洁起见，许多常规步骤将仅在本文中简要提及或将完全省略而不提供众所周知的工艺细节。

[0024] 现在转向的那些更具体地与本发明的各方面相关的技术的概述，许多芯片被用于服务器场(farm)。服务器场或服务器集群(cluster)是计算机服务器的集合，通常由一个组织维护，以提供远远超出单个计算机功能的服务器功能。服务器场通常由数千台计算机组成。随着超导量子计算硬件生产的扩大，出现了对于在运行中识别超导量子计算网络(例如，诸如服务器场的多个量子计算机，其中每个量子计算机具有至少一个超导芯片)中的芯片的装置的需求。对于少量封装芯片，可以制作库存清单以跟踪计算资源。对于网络，能够识别芯片本身是有用的和期望的。理想情况下，这需要在与功能硬件相同的环境中完成，并使用相同类型的测量工具。在互补金属氧化物半导体(CMOS)中，这通常通过添加非易失性随机存取存储器(NVRAM)来实现，例如eFUSE。在eFUSE中，在部署到现场之前的注册阶段期间对比特进行编程，并且可能需要一些纠错，例如利用备用比特的单错误纠正、双错误检测(SECDED)汉明码。NVRAM通常由一次性可编程只读存储器(OTPROM)制成，并且NVRAM在电源关闭后不会丢失信息(与静态随机存取存储器(SRAM)或动态随机存取存储器(DRAM)相反)。这种方法通常不能防止伪造，因为可以直接或通过芯片的分层来读取代码，并且可以利用维持该芯片的区域的相同类型的设备或其他类型的设备来制作多个副本。

[0025] 现在转到对本发明的各方面的概述，本发明的一个或多个实施例通过提供量子比特网络安全标识，解决了现有技术的上述缺点。更具体地说，本发明的上述方面通过提供一种安全认证系统解决了现有技术的缺点，该安全认证系统可以容易地与超导量子比特芯片集成(在制造期间)，可以用相同的设备和技术读出典型的超导量子比特芯片，并且可防止伪造。超导量子芯片中使用的超导隧道结(也称为约瑟夫森结)表现出约瑟夫森电感，当它们在低于临界电流的电流下工作时，它们在功能上等效于超导电路内的传统电感器。根据实施例，利用制造期间约瑟夫森结中的变化(或缺陷)来提供超导量子比特芯片的随机标识。在约瑟夫森结的制造期间，变化(或缺陷)不可预测地、随机地和不可控制地发生，从而提供超导量子芯片的独特随机标识。用于超导量子芯片的量子模拟提供了可以使用微波电路读出的标识，就像典型的超导量子比特一样。该标识是安全的，因为它使伪造的成本过高。

[0026] 现在转到本发明的各方面的更详细的描述，图1示出了根据本发明的实施例的被配置为提供超导芯片的安全标识的识别系统100的示意图，其中读出被合并执行。图2示出了根据本发明的实施例的被配置为提供超导芯片的安全标识的识别系统100的示意图，其中，读出可单独寻址。

[0027] 安全识别系统100包括超导芯片102。超导芯片102包括谐振单元阵列104以及用于量子计算的其他类型的电路。例如，如本领域技术人员所理解的，其他电路可以包括用于超导量子计算的超导量子比特电路130。存在通过超导量子比特电路130执行量子计算的各种方式，并且典型的超导量子比特电路130将包括超导量子比特、读出谐振器、耦合谐振器、耦合电容器、耦合电感器和用于量子计算的其他超导电路元件。所有这些必要元素的组合是本领域技术人员所理解的，并且这里不讨论细节。超导芯片102在超导温度下操作。超导芯片102可以通过诸如稀释冰箱(dilution refrigerator)的低温(cryogenic)装置(未示出)冷却。

[0028] 谐振单元阵列104包括谐振单元150_1至150_N。每个谐振单元150_1至150_N包含约瑟夫森结，以及电容器和/或电感器。约瑟夫森结是色散非线性元件的一个例子。单个谐振单元150的各种配置在图5A、5B、5C、5D、5E、5F、5G和5H中示出。每个谐振单元150_1至150_N是具有独特谐振(或共振)频率的谐振器，其可以使用与包含超导量子比特电路130的典型电路中的谐振频率所使用的类似设备和技术来读出。例如，谐振单元150_1至150_N具有单独的谐振频率f1至fN。制造典型的超导量子比特电路130并用于量子计算和/或量子操作
(例如纠缠等)。

[0029] 每个谐振单元150_1至150_N的谐振频率可使用测量设备106读出，其是用于读出典型超导量子比特电路130的相同设备。测量设备106可操作地通过传输线120连接到芯片
102上的谐振单元阵列104的谐振单元150_1至150_N。与图1不同，图2示出了其中每个谐振单元150_1至150_N可通过传输线120_1至120_N单独寻址的示例。传输线120_1至120_N是用于发送和接收信号(例如，微波信号)的馈线。传输线120可以是同轴线或波导。传输线是一种类型的传输介质。另一示例传输介质可以是三维微波腔，其可以用于读出谐振单元阵列
104。传输介质和谐振单元150_1至150_N与典型的超导量子比特电路130和用于量子计算的其他超导电路元件共享相同的芯片102。因此，任何实现都必须防止量子信息从超导量子比特电路130泄漏到谐振单元阵列104中。在一个实现中，谐振单元阵列104与超导量子比特电路130由在芯片102上的距离以及包含在芯片102中的接地屏蔽严格地隔开，以防止两种类型的电路104和130之间的任何电容或电感耦合。在这种情况下，谐振单元150_1至150_N可以具有任何值的谐振频率f1至fN。在另一种实施方式中，在两种类型的电路104和130之间可以存在电容或电感耦合。在这种情况下，必须将谐振单元150_1至150_N制造为使得它们的谐振频率f1至fN不与用于量子计算的超导量子比特电路130的频率重叠。谐振频率f1到fN可以与超导量子比特电路130的频率重叠的另一种实施方式是添加一个开关，其在闭合时将每个谐振单元150_1到150_N连接到地。在超导量子比特电路130的超导操作期间，开关闭合。当打开时，谐振单元150_1至150_N不接地，并且超导量子比特电路130不执行量子计算。

[0030] 测量设备106可以包括一个探测信号(probe signal)132。探测信号132可以通过(例如，集成在测量设备106中的)信号发生器产生，该信号发生器被配置为在所希望的射频产生射频信号(其可以是脉冲)，例如微波信号。为了读取谐振单元150_1至150_N的标识，探测信号132被配置为包括期望/预定义频率的微波信号并且传输至谐振单元阵列104的谐振单元150_1至150_N。图1示出了探测信号132将射频信号(覆盖所有期望射频)一起(通过传输线120)发送到谐振单元150_1到150_N。换句话说，测量设备106被配置为使用相同的传输介质(例如，传输线120或微波腔)一次将射频信号(覆盖所有预定义的频率)传输到谐振单元150_1至150_N中的每一个。图2示出了探测信号132(构成对期望频率的覆盖)被单独地
(经由传输线120_1至120_N)传输到谐振单元150_1至150_N。在图2中，谐振单元150_1至
150_N可以被隔离并且每个经由单独的传输线被访问，使得射频信号在这些传输线120_1至
120_N之间切换。在一个实施方式中，射频信号(包括所有期望频率)可以在每个单独的传输线120_1至120_N上同时或几乎同时传输到相应的谐振单元150_1至150_N。因为经由探测信号132的测量设备106被配置为生成具有预定义频率的射频信号以经由各个传输线120_1至
120_N(如图2所示)单独地寻址谐振单元150_1至150_N，并且因为谐振单元150_1至150_N具有单个传输线120_1至120_N，只要谐振单元150_1至150_N被单独读出，每个谐振单元150_1至150_N的谐振频率可以相同。

[0031] 在这两种情况下(图1和图2)，射频信号分别指向谐振单元150_1至150_N和/或(共同)指向谐振单元150_1至150_N的整个阵列。事先，测量设备106(可由操作员操作)知道谐振单元150_1至150_N的期望/预定义谐振频率，使得(发送至谐振单元阵列104的)射频符号的频率范围(或频带)旨在与谐振单元150_1至150_N的预期谐振频率匹配/一致。因为从一个谐振单元150到下一个谐振单元150的约瑟夫森结在其制造时包含不可控制的变化，所以谐振单元150_1到150_N的谐振频率f1到fN的精确值不是预先知道的，而是预期在一定范围内。例如，约瑟夫森结可以在它们各自的临界电流中具有大约百分之几的变化，即使在设计相同并且制造相同时也是如此。在一些情况下，临界电流的变化可以从大约2％到大约5％(对于5GHz谐振器，这对应于大约125MHz的最大变化)。

[0032] 尽管传输线120_1至120_N被示出为用于引导所述射频信号(同样地从谐振单元150_1至150_N接收回响应)的通道，如本领域技术人员可以理解的，该通道可以是三维微波腔。而且，当发射读出时，每条传输线120可以代表两条传输线。

[0033] 虽然出于解释目的考虑了谐振单元150_1，但是应当理解，以下讨论类推适用于每个谐振单元150_2至150_N。如果射频信号的频率(即，挑战)等于谐振单元150_1的谐振频率，则这将在从谐振单元150_1通过传输线120(或者传输线120_1)反射或发射的射频能量的相位或幅度中是明显的。例如，假设谐振单元150_1具有谐振频率f1，响应/返回射频能量/信号将具有频率f1处的幅度峰值和以频率f1为中心的180度相移。为了读取谐振单元阵列104的完整标识(指纹)，探测信号132必须在可以存在于所有谐振单元150_1至150_N中的谐振频率范围内扫描射频信号的频率(例如，从3千兆赫(GHz)到10GHz)，探测信号必须在所有谐振单元150_1至150_N处引导扫描射频信号。因此，所有谐振单元150_1至150_N将返回在其各自的谐振频率f1至fN处具有幅度峰值以及以各自的谐振频率f1至fN为中心的180度相移的射频能量/信号。指纹由频率空间中的谱线的完整模式组成，其已被接收作为来自谐振单元150_1至150_N的响应。虽然频谱中的峰值用于解释目的，但应注意，测量不限于测量峰值。在一些实施方式中，取决于测量和其他系统参数，每个峰值可以是倾角(dip)，使得识别基于测量倾角。

[0034] 作为对先前发送到谐振单元150_1到150_N的射频信号的响应，测量设备106可以接收谐振频率f1到fN的序列作为芯片102的安全标识。谐振频率f1到fN的序列可以存储在存储器112中和/或分开存储。在从谐振单元阵列104的谐振单元150_1至150_N接收到响应(返回信号)之后，测量设备106被配置为对从谐振单元150_1到150_N接收的响应执行频谱分析以确定/识别频率空间中的频率频谱(峰值)。在一个实施方式中，测量设备106被配置为将谐振单元150_1至150_N中的每一个的谐振频率f1至fN识别为频率f1至fN处的峰值。

[0035] 在本发明的一些实施例中，在制造后，芯片102被低温冷却，并测量其谐振频率，以测试所述谐振单元150_1至150_N正在运作。该频谱被存储作为参考。然后将芯片102用于量子计算操作(即，在冷却期间)。当需要芯片识别时，测量频谱并与参考频谱进行比较。

[0036] 谐振频率f1到fN的序列可以经由通信介质122从测量设备106发送到计算机系统108。通信介质122可以是有线的(以太网电缆，USB电缆，光纤电缆，同轴电缆，双绞线等)或无线网络连接。计算机系统108具有一个或多个处理器。类似地，测量设备106可以具有一个或多个处理器。计算机系统108被配置为将从测量设备106接收的谐振频率f1到fN的序列与先前为芯片标识数据库110中的类似芯片102存储的各种芯片标识号进行比较。计算机系统
108被配置为确定所接收的谐振频率f1到fN的序列是否与先前存储的谐振频率序列在统计裕度内相匹配。统计裕度可以是考虑到每个测量的谐振频率f1到fN的预定量。在一个示例中，统计裕度可以是1％。这意味着从测量设备106接收的谐振频率f1到fN的序列与芯片标识数据库110中的标识号之间的1％差异仍然被识别为匹配。芯片102可以代表许多芯片。芯片标识数据库110可以包括用于多个芯片102的芯片标识号。如本领域技术人员所理解的，每个芯片102可以用在超导量子计算机的网络中，以便执行量子计算。所有芯片102的相应芯片标识号被预先读出并存储在芯片标识数据库110中。每个芯片102可能已被芯片102的制造商读出并存储。此外，每个芯片102可能已被已经在超导量子计算机网络中部署了芯片的芯片102的运营商(最终用户)读出并存储。

[0037] 在一些实施例中，计算机系统108可以与如图3和图4所示的测量装置106集成在一起。图3示出了根据本发明实施例的识别系统100的示意图，其中谐振单元阵列104的谐振单元150_1至150_N通过传输线120共同寻址。换句话说，射频信号(挑战)可以通过相同的传输线从测量设备106发送到所有谐振单元150_1到150_N，并且通过相同的传输线接收响应。图4示出了根据本发明实施例的识别系统100的示意图，其中谐振单元阵列104的谐振单元
150_1至150_N分别通过传输线120_1至120_N寻址。在图3和4中，测量设备106不必将接收到的谐振频率f1到fN的序列发送到计算机系统108。相反，具有测量设备功能的计算机系统
108(或反之亦然)可以立即将接收到的谐振频率f1到fN的序列与存储在芯片标识数据库
110中的芯片标识号比较，然后将芯片102识别为芯片XYZ。

[0038] 现在转向关于谐振单元150_1至150_N的更详细的描述，每个谐振单元有它自己的约瑟夫森结。谐振单元150_1至150_N类似于典型的超导量子比特，但是具有较不严格的要求。制造典型的超导量子比特必须使得它具有长的相干时间T1和T2，并且使其可以读出量子比特以获得其状态信息。在典型的超导量子比特中，量子比特状态可以是高├|1＞、低├|0＞或高和低的叠加。另外，不能直接读出用于量子计算的典型超导量子比特(例如超导量子比特电路130)。相反，需要读出一个读出谐振器，使得可以基于从读出读出谐振器接收回的微波信号来推断典型超导量子比特的量子信息(即，状态)。典型的超导量子比特需要耦合电容器以将每个典型的超导量子比特与其读出谐振器分开。而且，典型的超导量子比特需要耦合电容器以将典型的超导量子比特彼此分开。然而，谐振单元150_1至150_N不需要维持状态信息，因此不受维持长时间T1和T2的要求的限制。而且，通过使谐振单元150_1至150_N各自以它们各自的谐振频率f1至fN谐振，可以直接读出谐振单元150_1至150_N。另外，谐振单元150_1至150_N不需要通过耦合电容器彼此分离或与读出谐振器分离。因此，谐振单元150_1至150_N可以紧密地封装在一起而不会丢失状态信息，因为不需要状态信息并且彼此之间没有干扰问题。

[0039] 类似于典型超导量子比特，该谐振单元150_1至150_N利用约瑟夫森结。约瑟夫森结由两个超导体形成，这两个超导体通过例如薄绝缘势垒耦合。约瑟夫森结可以通过超导电极之间的绝缘隧道势垒(例如Al2O3)制造。对于这样的约瑟夫森结，可以流过势垒的最大超电流是临界电流Ic。约瑟夫森结的制造包括隧道势垒中的不可控制和不可预测的变化，导致任何两个或更多个相同制造的约瑟夫森结具有不相同的临界电流。因此，即使约瑟夫森结具有相同的设计并且制造相同，这些约瑟夫森结的约瑟夫森电感也是不同的。约瑟夫森电感的这种变化(即差异)用于为芯片102提供(谐振单元150_1至150_N的)谐振频率f1至fN的唯一序列，使得任何其他相同设计和制造的芯片将不具有与芯片102完全相同的谐振频率f1至fN的唯一序列。

[0040] 图5A、5B、5C、5D、5E、5F和5G示出了根据本发明实施例的各种谐振单元示意配置。谐振单元150_1至150_N可以实现为图5A-5G中的任何示例。在图5A-5G中，每个示例谐振单元150包括约瑟夫森结(JJ)、电感器L和电容器C。电感器L和电容器C可以包括被设计为分别呈现特定量的电感和电容的电路组件，或者，如本领域技术人员所理解的，例如对于片上传输线的情况，可以具有存在于电路的金属图案和布线内的电感和电容量。可以通过在芯片
102上组合电容器和其他电感器来与约瑟夫森结一起形成谐振单元150。谐振的线宽由其与馈线或其他读出电路的耦合确定，并且必须被制成小到足以清楚地区分频域中的每个谐
振。

[0041] 所述的约瑟夫森结用作一个电感器，因此对于总电感有贡献。频率可寻址性(即，谐振单元150_1至150_N的不同频率)可以通过改变电感量和/或改变从一个谐振单元150到另一个谐振单元150的电容量来实施。例如，可以从一个谐振单元150到下一个谐振单元150调节(即，增大或减小)更大或更小的串联电感和/或并联电感。另外，可以从一个谐振单元150到下一个谐振单元150调节更大或更小的串联和/或并联电容。在每个谐振单元150中可以调节(即，增大或减小)更大或更小的约瑟夫森电感。每个谐振单元150的谐振频率受到固有工艺可变性的影响，并且在非常高的概率上对于两个相同的芯片102是不同的。如本文所述，来自谐振单元150_1至150_N的这种可变性是由于约瑟夫森结中的字面缺陷(literal imperfections)，从而使得每个芯片102都是唯一的。即使电感器L的电感和电容器C的电容保持相同并且每个谐振单元150_1至150_N的配置(例如图5A-5G中的任何配置)相同，即使在设计和制造相同的情况下，约瑟夫森结仍将具有不同的结构。不同的结构是在约瑟夫森结的隧道势垒的制造中，从而提供唯一的安全标识号。

[0042] 以图5A的配置为例，图6和7示出了根据本发明实施例的示例性谐振单元阵列104。图6示出了谐振单元阵列104的示意图，其中谐振单元150_1至150_N被共同寻址。在图6中，射频信号被输入到谐振单元阵列104的一条传输线120。如果以反射方式操作，则谐振单元阵列104可以仅具有一条传输线120。如果以发射方式操作，则谐振单元阵列104可以具有第二传输线120，其用虚线示出。虚线将响应发送回测量设备106。

[0043] 图7示出了谐振单元阵列104的示意图，其中所述谐振单元150_1至150_N被单独寻址。在图7中，射频信号被输入到谐振单元阵列104的传输线120_1至120_N中的每一个。如果以反射方式操作，则谐振单元阵列104可以仅具有一组传输线120_1至120_N。如果以发射方式操作，则谐振单元阵列104可以具有第二组传输线120_1至102_N，其以虚线示出。虚线将响应发送回测量设备106。

[0044] 图6和7示出谐振单元150_1至150_N包括约瑟夫森结602_1至602_N、电容器(C)604_1至604_N、以及电感器(L)606_1至606_N。在图6和7中，谐振单元配置的选择仅是示例，但是每个必须包含至少一个约瑟夫森结。谐振单元150的选择(以及谐振单元150的数量)仅是示例。在图6中，传输线120可以通过耦合电容器(CC)608_1至608_N电容耦合至谐振单元
150_1至150_N。在一些实施方案中，可使用耦合电感器代替耦合电容器。在其他实施方式中，可以省略耦合电容器(CC)608_1至608_N。在图6和7中，电容器604_1至604_N的电容在该示例中是相同的，使得C1＝C2＝C3...＝CN，并且电感器606_1至606_N的电感不相同，使得L1>L2>L3...>LN，从而产生谐振频率f1，f2，f3，...fN，其中f1波动(例如几个MHz)和/或随时间波动，只要谐振之间的间隔(即，诸如f1到f2的频率之间的间隔)大于各个谐振单元的典型变化窗口，每个芯片102也可以通过其序列唯一地识别。在本发明的示例性实施例中，谐振之间的间隔(即，f1，f2，f3，...fN之间的间隔)可以是大约100MHz，而保持连续低温冷却的谐振器的典型波动小于大约50kHz；在两个不同时间低温冷却的谐振器的典型波动小于约5MHz。该序列(作为芯片102的标识)从未被编程到芯片102中，因为芯片102是PUF配置。该方法使得伪造这种类型的芯片102更加困难，因为几乎不可能(或需要大量资源)使用相同的约瑟夫森结布局精确地复制序列。虽然约瑟夫森电感可以用以更大空间为代价的常规电感器替换，但在芯片检查时很容易发现。这是因为约瑟夫森结与其尺寸相比具有大量电感，并且试图用常规电感器替换所有约瑟夫森结将导致与芯片102相比的巨大芯片。应注意，频率与电感具有反比关系。更具体地，频率与电感具有平方根反比关系。

[0045] 应当理解的是，图1-7所示的谐振单元阵列104仅为示例。应当注意，一个或多个实施例可以包括具有包含约瑟夫森结602_1至602_N的多个谐振单元150_1至150_N的电路(即，芯片102)和/或系统100，其中谐振单元150_1至150_N耦合至读出机制(例如测量设备
106)以便读出模拟谐振频率特征的序列，从而提供芯片102的唯一随机标识。该电路可以是悬挂式传输线或微波腔。在一些实施方案中，可单独寻址的谐振单元具有单独的图案化读出(如图2、4、7中所示出)。尽管在芯片102上单独寻址的谐振单元消耗更多的空间，但是这允许约瑟夫森结(以及电感器L和电容器C)在谐振单元阵列104中彼此相同(即，具有相同的频带)，因为约瑟夫森结通过它们在各自的谐振单元150_1到150_N中的相应位置来寻址。

[0046] 在其他实施方式中，谐振单元阵列104中，(在各个谐振单元150_1至150_N中)约瑟夫森结从一个谐振单元150到下一个可以制造为稍有不同。例如，(在各个谐振单元150_1至150_N中)约瑟夫森结602_1至602_N可以制造为具有不同的尺寸、具有不同的临界电流Ic、具有不同的容性负载(即，电容器C1 604_1至CN 604_N的不同值)、和/或具有不同的电感负载(即，电感器L1 606_1至LN 606_N的不同值)，以便通过可预测的模拟频率范围识别每个比特。也就是说，可以有f1150_2的比特，直至测量的谐振频率fN是谐振单元150_N的比特。芯片102可以代表许多芯片。芯片102可以具有128比特，从而具有128个谐振单元150，使得有128个谐振频率被测量出来。在一个实施方式中，当128个谐振单元150被共同寻址和测量时，谐振单元阵列104将在芯片102上利用较少的空间，因为只需要一条传输线120用于反射读出或者需要两条传输线120用于发射读出。将如此多的谐振单元150(例如，128比特，64比特，32比特等)紧密地封装对于芯片102来说没有问题，因为如上所述，相干性不是操作的关注点。

[0047] 防伪造的安全是通过(在约瑟夫森结的制造中的)随机过程变化实施的，以识别芯片(而不是编程)，这使得芯片102落入物理不可克隆功能的概念之内。物理不可克隆功能需要足够多的比特以便校正波动，使用32比特(即，32个谐振单元150)、64比特、128比特等提供比特以校正谐振单元150_1至150_N的谐振频率f1至fN的序列的读出中的波动。在考虑读出方法(反射与发射，使用三维微波腔等等)和增加的负载之后，每个比特具有与另一个芯片102上的同一比特不同的具有给定置信度的模拟频率。也就是说，可以存在两个(或更多个)芯片102，其具有相同数量的谐振单元150_1至150_N并且以相同的方式制造，约瑟夫森结602_1至602_N具有相同的值/尺寸，电容器C1 604_1至CN 604_N具有相同值，以及电感器L1 606_1至LN 606_N具有相同值。尽管这两个(或更多个)芯片102被设计为相同，但是在一个芯片102与下一个芯片102之间的谐振单元150_1至150_N的约瑟夫森结602_1至602_N中将存在差异(即，可变性)。可变性导致了每个芯片102上形成其标识的模拟频率序列的唯一性。这种标识的唯一性取决于统计模式识别，其中在考虑每个频率(即，每个谐振频率f1到fN)随时间或重复读出之后的波动之后只要模式是唯一的，就能识别芯片102。

[0048] 为了说明在读出芯片102中随着时间的推移或重复的读出后的波动，图8示出了根据本发明实施例的芯片102的认证的示例。图8仅示出了系统100的简化视图，以免模糊该图。应该理解，图8包括图1-7中讨论的所有元件。在图8中，假设已经读出了芯片102的安全标识。一旦读出该标识，就可以针对芯片标识数据库110检查测量的标识。给定谐振单元150的数量、工艺可变性(频率的标准偏差)和运行之间的波动(可重复性)，芯片分配的确定性将是取决于这种芯片标识之间的冲突(具有相同频率的比特)的概率。下面提供了一些示例场景。在第一种情况下，取决于相同芯片102的标识的顺序读出的可重复性，一些比特可能具有偶尔超过0.1％的模拟频率波动，这在一些实现中是5MHz。在这些实现中，如果比特数是128，只要不小于任何95％的比特、或(总共128比特中的)122比特的认证阈值匹配存储在数据库110中的现有标识，则认证可以是99.9％准确(对于制造的1,000个芯片中的999个是准确的)。这里提供99.9％的准确度作为示例，其取决于系统的实际物理特性，例如过程可变性和运行之间的波动。在第二种情况下，如果过程可变性导致频率的标准偏差较大，例如从50MHz增加到75MHz，那么设计为相隔100MHz的两个不同比特的频率之间的重叠概率将增加。在这种情况下，可以存在至少两个不同的芯片102，其具有与数据库110中的相同存储标识不小于95％的模式匹配，并且认证的净准确度将从99.9％下降到例如90％。同样，在第二种情况下，只有不小于97％的比特或124比特的认证阈值与存储在数据库110中的现有标识相匹配，才可以恢复99.9％的准确度，并且这两个不同的芯片102将产生不同的匹配标识。

[0049] 在将芯片102(错误地)认证为在数据库110中一个不同的芯片102的情况下，这就是所谓的假肯定认证。在第三种情况下，如果在一些实现中每个比特的频率的运行之间的波动从0.1％增加到1％，或者从5MHz增加到50MHz，那么将每个读出比特的频率与存储在数据库110中的一个相匹配的概率将减小。在该第三种情况中，会存在先前登记到数据库110中的芯片102，其在重复读出时显示与存储在数据库110中的任何标识的模式匹配小于
95％，并且认证的净准确度将从99.9％下降到例如95％。在同样的第三种情况下，只要认证阈值降低，就只能恢复99.9％的准确度，因此，可能需要不低于93％的比特或(总共128比特中的)119比特来匹配存储在数据库110中的现有标识；然后，该芯片102将导致与数据库110中的现有标识匹配。在即使芯片先前已经登记在数据库110中而该芯片102未被认证的情况下，这也称为假否定认证。

[0050] 应当认识到，如果认证阈值与避免假否定认证所需的阈值一样低，并且与避免假肯定认证所需的阈值一样高，则存在用于精确认证的窗口(作为平衡)。在一些实现中，可以使用95％的认证阈值来避免假否定认证，并且可以使用90％的认证阈值来避免假肯定认证，并且可以选择93％的中间任意认证阈值以提供99.9％的认证准确度(使得1000个芯片中的999个被正确识别)。准确度还可以取决于制造的芯片数量(即1,000，10,000)以及存储的比特数(比特数越多，每个芯片的标识就越唯一，代价是占用芯片上的更多空间)。128比特可以识别最多2^128个芯片(芯片数量为3后面跟着38个零)。另外，通过进行多次重复测量以在测量噪声的情况下正确地测量每个频率的概率，可以减少假否定识别。

[0051] 返回到图8，因为读出在置信裕度内是统计上唯一的，标识被识别为ID1(或芯片XYZ)。置信裕度可以是1％的差异或99％的置信区间。尽管来自芯片102的标识读出具有
4.233GHz，4.313GHz，4.435......GHz的测量序列标识，并且计算机数据库110具有存储的标识ID1(或XYZ)为4.234GHz，4.312GHz，4,437......GHz，计算机系统108被配置为将所测量的序列标识(4.233GHz，4.313GHz，4.435GHz......)和存储的芯片标识ID1(或XYZ)序列(4.234GHz，4.312GHz，4,437......GHz)识别为在统计上是相同的。即使加下划线的数字不同，计算机系统108也被配置为将芯片102作为具有标识ID1(或芯片XYZ)的芯片，因为读数在统计上是相同的。

[0052] 为了进一步说明在读出芯片102中随着时间的推移或重复的读出后的波动，图12A示出了根据本发明实施例的芯片102的认证的示例。图12A仅示出了系统100的简化视图，以免模糊该图。应该理解，图12A包括图1-7中讨论的所有元件。在图12A中，假设已经读出了芯片102的安全标识。一旦标识被读出，就可以相对于芯片标识数据库110检查所测量的标识。该例子表示正在读出128比特，这意味着在测量的序列标识中存在频率f1，f2，...f128。尽管有128比特已经被读出，但是该示例集中于单个比特，其被任意选择为比特1(即，频率f1)以用于解释目的。在这种情况下，数据库110中先前存储的芯片标识ID1(存储序列)的比特
2-128的频率f2-f128可以匹配已经在测量序列中读出的芯片102的频率f2-f128。但是，测量序列的比特1的频率f1与先前存储的序列的比特1的频率f1不匹配。对于数据库110中的芯片标识ID1(芯片ID1)，为比特1存储的频率f1是4.567GHz。但是，相同比特1的读出频率f1是4.569GHz。由于小于(<)5MHz的裕度(在该实现中为+/-0.1％的频率)，计算机系统108被配置为确认对比特1的识别(作为匹配)。在比较之后，测量频率f1＝4.569GHz(比特1)之间的差异在先前存储的频率f1＝4.567GHz(存储的比特1)的(预定义的)5MHz裕度内，因此计算机系统108确定芯片102的测量序列标识(f1＝4.569，f2，f3...f128GHz)与先前存储的芯片标识ID1的序列标识(f1＝4.567，f2，f3......f128GHz)之间的匹配。

[0053] 图12B示出了根据本发明实施例的芯片102的认证的示例。除了相同比特1的读出频率f1是4.575GHz之外，图12B中的场景与图12A相同。计算机系统108被配置为将未将读出比特1识别为与测量比特1的匹配，因为测量频率f1＝4.575GHz(比特1)与先前存储的频率f1＝4.567GHz(存储的比特1)之间的差异大于(>)5MHz裕度(此实现中频率的+/-0.1％)。计算机系统108确定测量的比特1和先前存储的芯片标识1的存储的比特1之间不存在匹配。

[0054] 进一步示出了读取芯片102中的随着时间或在重复读出之后的波动，图13A示出了根据本发明实施例的芯片102的认证的示例。图13B描绘了根据本发明实施例的芯片102的认证的示例。在这些示例中，数据库110具有先前为芯片ID42的比特1,2,3,4...128存储为4.567GHz，4.654GHz，4.759GHz，4.847GHz，......f128的频率。

[0055] 在图13A中，(通过测量设备106)测量芯片102的相同比特1，2，3，4...128的读出频率为4.575GHz,4.655GHz,4.756GHz,4.850GHz,…f128。计算机系统108被配置为将该芯片102认证为数据库中的芯片标识42，因为除了比特1之外的所有部分都满足<5MHz的裕度
(+/-0.1％)并且认证阈值被设置为125比特。

[0056] 在图13B中，(通过测量设备106)测量芯片102的相同比特1，2，3，4...128的读出频率为4.575GHz,4.665GHz,4.745GHz,4.835GHz,…f128。计算机系统108被配置为不将该芯片102认证为芯片标识ID42，因为4比特不满足<5MHz裕度(+/-0.1％)并且认证阈值设置为125比特(但是仅识别出124比特)。在数据库110内搜索所有芯片ID之后，该芯片102仍然可以被认证为不同的芯片。

[0057] 作为图13B中的考虑，这可以是假否定的示例，其中，具有ID42的芯片未被认证，因为其先前已经登记但是其比特1-4与存储的值波动太远，并且如果验证阈值已设置为低于124比特，则它将被正确验证。在一个实现中，阈值可以设置为124比特，使得测量的芯片102被正确地识别为芯片标识ID42。

[0058] 作为进一步的考虑，假肯定的示例如下。具有存储的ID99的芯片与存储的ID42共有124个比特相同，但比特1-4除外，其中ID99的比特1接近ID42的比特1，但其差异超过5MHz。由于ID99的比特1的读出频率值的波动，其频率在<5MHz(+/-1％)内变得接近ID42的比特1。具有ID99的芯片与为ID42的芯片存储的ID共有125个比特相同，并且通过认证阈值。
具有ID99的芯片然后可以被错误地认证为ID42，并且如果认证阈值被设置为高达126比特，则它将被正确地认证。在这种情况下，计算机系统108将认证阈值设置为高达126比特(相对于芯片ID42和芯片ID99)。

[0059] 图9描绘了根据本发明的实施例的形成芯片的方法的流程图900。在框902处，形成谐振单元150_1至150_N，每个谐振单元包括约瑟夫森结602，并且谐振单元具有谐振频率f1至fN，其差异基于约瑟夫森结602的变化。在框904处，传输介质(例如，传输线120和/或微波腔)耦合到谐振单元150_1到150_N，并且传输介质被配置为输出谐振频率f1到fN的序列作为芯片102的标识。

[0060] 谐振单元150_1至150_N中的每一个具有谐振频率中的单独谐振频率(例如，谐振单元150_1具有谐振频率f1)。约瑟夫森结602的变化是不可控制的制造随机性的结果，制造随机性包括但不限于光刻线边缘粗糙度、区域均匀性、隧道势垒的厚度均匀性、超导金属的晶粒尺寸、超导金属的厚度均匀性、和/或约瑟夫森结的随机变化。谐振单元150_1至150_N中的每一个被配置为由谐振频率中的单独谐振频率唯一地识别(例如，谐振单元150_2由其谐振频率f2识别)。谐振单元150_1至150_N是超导量子比特。

[0061] 谐振单元150_1至150_N被配置为通过接收射频信号(经由测量设备106)读出。使用射频的读出被配置为输出谐振频率f1至fN的序列作为芯片102的标识。传输介质选自一个或多个传输线120和微波腔(例如，三维微波腔)。

[0062] 谐振单元150_1至150_N包括电容元件(例如，电容器C604)和电感元件(例如，电感器L606)。可以不同地设计谐振单元150_1至150_N以对谐振频率进行排序。例如，可以设计谐振单元150_1至150_N，其中谐振单元150_1的f1低于谐振单元150_2的f2，谐振单元150_2的f2低于谐振单元150_3的f3，谐振单元150_3的f3低于谐振单元150_4的f4等。

[0063] 每个谐振单元150_1至150_N中的约瑟夫森结602被相同地设计，并且谐振频率的序列构成物理不可克隆功能(PUF)。

[0064] 图10示出了根据本发明实施例识别芯片102的方法的流程图1000。在框1002处，计算机系统108(和/或测量设备106)被配置为接收谐振频率的序列作为芯片102的标识，并且谐振频率的差异基于芯片102上的约瑟夫森结602的变化。在框1004，计算机系统108(和/或测量设备106)被配置为将从芯片102输出的谐振频率f1到fN的序列识别为与芯片102的(在芯片标识数据库110中)所存储的标识在预定裕度内的匹配。

[0065] 图11描绘了根据本发明的实施例使得识别芯片102的方法的流程图1100。在框1102处，计算机系统108(和/或测量设备106)被配置为使得芯片102从其谐振单元150_1至
150_N提供谐振频率的序列，并且谐振频率的差异基于在谐振单元中的色散非线性元件中的变化。计算机系统108可以使测量设备106从芯片102以及网络中的任何其他超导芯片读出谐振频率序列。约瑟夫森结是一种色散非线性元素。

[0066] 在框1104，计算机系统108被配置为确定先前存储(在芯片标识数据库110)的序列是刚从芯片102测量到的谐振频率的序列在预定义裕度的匹配。计算机系统108被配置为将刚从芯片102测量的谐振频率的序列与所有先前存储的序列/标识进行比较，并且在数据库110中(并且在连接到芯片102的网络中)可能存在数百或数千个具有其自己(不同)的谐振
频率序列的其他芯片102。

[0067] 在框1106处，计算机系统108被配置为，响应于预定义裕度内的匹配，从(例如，在数据库110中的)具有不同的谐振频率序列的不同芯片102中识别出具有谐振频率f1至fN的序列的芯片102。

[0068] 响应于该匹配，该测量设备106(和/或计算机系统108)被配置为从(在数据库110中的)具有不同标识的不同芯片中认证具有当前标识的芯片102。

[0069] 存在很多如何利用超导芯片120的场景，并且从其它芯片102中认证特定芯片102可以包括各种过程。首先，在芯片制造之后，并且经常在制造商的现场执行，在低温下(通过操作员或自动化过程)读取芯片标识并存储在芯片标识数据库110中。该过程通常称为登
记。在芯片102在用户设施的现场部署之后，可以读出芯片标识并将其传送回制造商。然后，制造商在其芯片标识数据库110中执行搜索以获得所传送的芯片标识，并在该标识与现有登记的标识之间执行统计匹配以提供认证。当请求认证时，用户可能试图通过验证其在制造商的芯片标识数据库110中的存在来确定芯片102是否是真实的而不是伪造品。当请求认证时，在制造商的调停下，用户可能试图发起与第三方服务器的安全通信，制造商可以通过在其芯片标识数据库110中搜索芯片标识并且对其进行认证，将用户的芯片标识认证为可信赖的，并授予其访问第三方服务器的许可。当请求认证时，用户可以决定如何在现有芯片
102的网络上分配工作负载并找到可用的量子处理器。应当理解，有许多方法利用具有安全认证的超导量子比特芯片102。

[0070] 电路102、104、130的电路元件可以由超导材料制成。各个谐振器和传输/馈电/探测信号线由超导材料制成。超导材料的例子(在低温下，例如约10-100毫开尔文(mK)或约4K)包括铌、铝、钽等。例如，约瑟夫森结由超导材料制成，并且它们的隧道结可以由薄的隧道势垒制成，例如氧化物或弱连接，分隔两个超导电极。电容器可以由由间隙或介电材料隔开的超导材料制成。连接各种元件的传输线(即，导线)由超导材料制成。

[0071] 这里参考相关附图描述了本发明的各种实施例。在不脱离本发明的范围的情况下，可以设计替代实施例。尽管在以下描述和附图中的元件之间阐述了各种连接和位置关系(例如，上方，下方，相邻等)，但是本领域技术人员将认识到，当即使方向改变、所描述的功能也被保持时，本文描述的许多位置关系是与方向无关的。除非另有说明，这些连接和/或位置关系可以是直接的或间接的，并且本发明并不意图在这方面进行限制。因此，实体的耦合可以指直接或间接耦合，并且实体之间的位置关系可以是直接或间接的位置关系。作为间接位置关系的示例，本说明书中关于在层“B”上形成层“A”的参考包括其中在层“A”和层“B”之间有一个或多个中间层(例如，层“C”)的情况，只要层“A”和层“B”的相关特性和功能不被中间层实质改变。

[0072] 以下定义和缩写是用于权利要求书和说明书的解释。如这里所使用的，术语“包括”、“包含”、“具有”、“有”或“含有”或其任何其他变型旨在涵盖而非排他地包容。例如，包含元素列表的组合物、混合物、过程、方法、物品或装置不一定仅限于那些元素，而是可以包括未明确列出的其他元素或这种组合物、混合物、过程、方法、物品或装置固有的元素。

[0073] 此外，术语“示例性”在本文中用于表示“用作示例、实例或说明”。本文中描述为“示例性”的任何实施例或设计不一定被解释为优于或胜过其他实施例或设计。术语“至少一个”和“一个或多个”应理解为包括大于或等于1的任何整数，即一个、两个、三个、四个等。术语“多个”应理解为包括大于或等于2的任何整数，即两个、三个、四个、五个等。术语“连接”可以包括间接“连接”和直接“连接”。

[0074] 说明书中对“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”等的引用指示所描述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但是每个实施例可以或可以不是包括特定的特征、结构或特性。而且，这些短语不一定是指同一实施例。此外，当结合实施例描述特定特征、结构或特性时，无论是否明确描述，其在本领域技术人员的知识内结合其他实施例影响这样的特征、结构或特性。

[0075] 出于以下描述的目的，术语“上”、“下”、“右”、“左”、“垂直”、“水平”、“顶部”，“底部”及其派生词应涉及所描述的结构和方法，如附图中所示。术语“覆盖”、“顶上”、“顶部”、“定位在”或“定位在顶部”意味着第一元件、例如第一结构存在于第二元件、例如第二结构上，其中在第一元件和第二元件之间可以存在诸如界面结构的中间元件。术语“直接接触”是指第一元件(例如第一结构)和第二元件(例如第二结构)在两个元件的界面处没有任何中间的导电、绝缘或半导体层的情况下连接。

[0076] 短语“选择性的”、例如“对于第二元件选择性的第一元件”，意味着第一元件可以被蚀刻和第二元件可以用作为蚀刻停止。

[0077] 术语“约”、“基本上”、“大约”和它们的变型，意在包括与基于可用在提交申请时的设备的特定数量的测量相关的误差程度。例如，“约”可以包括给定值的±8％或5％、或2％的范围。

[0078] 如本文前面提到的，为了简洁起见，与半导体器件和集成电路(IC)制造的常规技术可以或可以不在此详细描述。然而，作为背景，现在将提供可用于实现本发明的一个或多个实施例的半导体器件制造工艺的更一般描述。尽管用于实现本发明的一个或多个实施例的特定制造操作可以是单独已知的，但是所描述的本发明的操作和/或所得结构的组合是唯一的。因此，结合根据本发明的半导体器件的制造描述的操作的独特组合利用在半导体(例如，硅)衬底上执行的各种单独已知的物理和化学过程，在下面的段落中描述其中的一些过程。

[0079] 通常，用于形成将被封装到一个IC中的微芯片的各种过程分为四个主要类别，即，膜沉积、去除/蚀刻、半导体掺杂和图案化/光刻。沉积是生长、涂覆或以其他方式将材料转移到晶片上的任何过程。可用的技术包括物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、电化学沉积(ECD)、分子束外延(MBE)以及最近的原子层沉积(ALD)等。去除/蚀刻是从晶片上去除材料的任何过程。实例包括蚀刻工艺(湿法或干法)和化学机械平坦化(CMP)等。导体(例如，多晶硅，铝，铜等)和绝缘体(例如，各种形式的二氧化硅、氮化硅等)的膜用于连接和隔离晶体管及其组件。通过创建这些各种组件的结构，可以构建数百万个晶体管并将它们连接在一起以形成现代微电子器件的复杂电路。半导体光刻是在半导体衬底上形成三维浮雕图像或图案，用于随后将图案转移到衬底。在半导体光刻中，图案由称为光致抗蚀剂的光敏聚合物形成。为了构建构成晶体管的复杂结构和连接电路的数百万个晶体管的许多导线，光刻和蚀刻图案转移步骤重复多次。印刷在晶片上的每个图案与先前形成的图案对齐，并且缓慢地构建导体、绝缘体和选择性掺杂区域以形成最终器件。这里描述的片上超导电路是通过使半导体制造技术适应在半导体衬底上的超导金属膜中形成所需图案而产生的。

[0080] 在附图中的流程图和框图示出了根据本发明的各种实施方式制造和/或操作方法的可能的实现。该方法的各种功能/操作在流程图中由方框表示。在一些替代实施方式中，方框中提到的功能可以不按图中所示的顺序发生。例如，连续示出的两个方框实际上可以基本上同时执行，或者这些方框有时可以以相反的顺序执行，这取决于所涉及的功能。

[0081] 以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

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