量子计算机的外观往往不够利落，因为即便是最精巧的量子比特低温恒温器，通常也会长出一大丛控制电缆。
大多数量子比特只能在接近绝对零度的极低温环境下运行，但用来控制这些量子比特的传统电子元件却无法承受这种低温。因此，连接电缆需要将信息传出低温恒温器。量子计算机拥有的量子比特越多，所需的电缆也就越多。这不仅仅是外观问题，这种线缆的过度增长会成为量子计算机扩展的一大难题——电缆会成为热量传导的通道，进而破坏敏感的量子比特稳定性。
如果工程师能够获得可在低温下工作、靠近量子比特运行的控制电子元件，就能清除部分“电缆丛林”。一家成立仅一个月的初创公司 S-Transistors 提出了解决方案：用能在量子比特所处的极端低温环境中运行的超导晶体管来制造所需电路。
S-Transistors 脱胎于芬兰 VTT 技术研究中心，总部位于芬兰埃斯波。该公司并未发明超导晶体管，但他们认为自己在晶圆厂大规模制造超导晶体管方面取得了突破。公司计划于2027年将首批电路产品推向市场。
“我们并不是要做出性能最好的超导晶体管，但我们能够在晶圆级别上大量制造，并且我们有望成为首家将它们整合成前所未有的新型超导集成电路的公司，”S-Transistors 首席执行官兼联合创始人赫奥希·博古斯拉夫斯基（Heorhii Bohuslavskyi）表示，他此前曾是 VTT 的研究人员。
制作“石墨烯三明治”
S-Transistors 技术的核心是约瑟夫森结（Josephson junction）。约瑟夫森结由两块超导体夹住一层纳米级厚度的其他材料构成。超导体的一个关键特性是：在足够低的温度下，电流可以无电阻、无损耗地流过超导体。通常情况下，中间夹层材料完全不会阻碍这一过程。但如果电流超过某个特定临界值——即所谓的临界电流——约瑟夫森结会在极短的瞬间跳出超导状态。这种瞬间的“闪烁”会产生一个可被控制的微小电压脉冲。
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-Transistors 在约瑟夫森结的基础上增加了第三个端子，其作用类似于普通场效应晶体管中的栅极。通过在这个第三端子上施加电场，可以控制结的临界电流。这种器件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，构建超导电路及更多功能模块。
JoFET 并非新概念——早在上世纪80年代，工程师们就已经尝试制造这类器件——但 S-Transistors 背后的研究人员表示，他们如今在晶圆厂实现了大规模量产的突破。
他们在6英寸（150毫米）的硅晶圆上制造超导晶体管。其兼容 CMOS 工艺流程包括在晶圆上铺设一层石墨烯通道，并用铝基超导材料塑造出三个电极。
其中两个电极与石墨烯通道接触，形成一个铝-石墨烯约瑟夫森结。随后，通过控制第三个电极（即栅极）上的电压，就可以改变临界电流，或者开启、关闭超导状态。
石墨烯本身通常并不具有超导性，但在合适的条件下，电极可以将其超导性“渗透”到石墨烯中。研究人员花费数年时间反复调试工艺，以实现这些条件——器件的几何结构、材料选择与工程设计都必须恰到好处。
格纳拉洛夫（Generalov）及其同事认为他们已经实现了这一目标。目前，他们正着手将这些晶体管组装成更复杂的集成电路。“接下来的近期目标，是演示由数百个超导晶体管组成的电路，”格纳拉洛夫说。
削减电缆的计划
超导体在极低温下工作，因此它们可以将原本需要在室温下完成的任务拉近至量子比特附近。从2027年起，S-Transistors 将制造并销售超导多路复用器和解复用器，用于将信号传送至量子比特，从而减少如今那些繁杂电缆的使用。
除此之外，S-Transistors 还希望通过一种超导“母板”来大幅削减电缆数量，该母板可处理多种控制功能。博古斯拉夫斯基认为，他们的超导晶体管有望用于制造放大器、存储器以及其他模拟和数字电路。
目前还有其他方法可以让量子计算机的控制系统更靠近量子比特，例如低温 CMOS（cryo-CMOS）——这是一种经过特殊设计、能够在量子计算机低温环境下运行的传统电子元件。
低温 CMOS 或许更适合某些电子元件，但对于最靠近量子比特的部分，S-Transistors 认为超导晶体管具有一定优势。超导晶体管与量子比特的兼容性更强，且相比低温 CMOS，其泄漏的、会破坏量子比特稳定性的功率更小。
“这种新型低温电子平台有潜力实现更快的运行速度，同时功耗远低于目前的低温 CMOS 技术，”博古斯拉夫斯基说。
Q&A
Q1：S-Transistors 公司是做什么的？
A：S-Transistors 是一家从芬兰 VTT 技术研究中心分拆出来的初创公司，专注于在晶圆厂大规模制造超导晶体管，用于解决量子计算机中控制电缆过多的问题。
Q2：超导晶体管能解决量子计算机的什么问题？
A：超导晶体管可以在量子比特所处的极低温环境中工作，从而减少需要从低温恒温器内部连接到外部控制电子元件的电缆数量，降低热量传导对量子比特稳定性的破坏。
Q3：S-Transistors 的产品什么时候上市？
A：公司计划于2027年推出首批超导多路复用器和解复用器产品，用于将控制信号传送至量子比特，未来还计划开发超导“母板”以处理更多控制功能。
