淺談量子位與量子電路

量子計算機正受到全球的廣泛關注，但在它能處理復雜問題前，還需先研究如何開發(fā)可規(guī)模化且穩(wěn)定的量子位與低溫電子組件。愛美科正努力透過基于半導體與超導體的量子位，以及能夠適應低溫的客制電路設計，讓量子運算技術得以實現(xiàn)。

量子計算機正受到全球各大研究實驗室的關注，原因在其開發(fā)潛力，能遠遠超越現(xiàn)代計算機的運算力，并解決像是藥物發(fā)現(xiàn)、物流、強化機器學習等復雜問題。但在量子計算機具備解決復雜難題的能力前，還需先研究如何開發(fā)出可規(guī)?；曳€(wěn)定的量子位（qubit）與低溫電子組件。為此，愛美科持續(xù)開發(fā)基于半導體和超導體的量子位，并針對適應低溫的功能，進行客制電路的設計工作，使得量子運算技術得以實現(xiàn)。

量子運算的爭戰(zhàn)

量子運算領域的科技戰(zhàn)開打了，目標是設計出首臺可用的量子計算機，因為和現(xiàn)代計算機相比，量子計算機代表著驚人的處理速度升級。為了達成這項目標，世界各地的研究團隊都在設計讓量子運算成真所需的量子位、電路和低溫組件。雖然首部量子計算機已經(jīng)在Google的53量子位計算機中亮相，但量子計算機的最大潛能還未實現(xiàn)。諸多挑戰(zhàn)仍待解決，包括制造出大量且穩(wěn)定的量子位、建立其周邊的控制電路，并讓所有組件在接近絕對零度的環(huán)境下運作。

愛美科量子與探索性運算計劃主持人Iuliana Rada解釋：「愛美科在高精度制程開發(fā)上累積了廣博專業(yè)知識，且能夠運作整合式組件制程，同時進行組件設計與建模，恰好來處理量子運算中一些最迫切的研發(fā)挑戰(zhàn)。我們的量子研究主要聚焦在實現(xiàn)量子位的量產(chǎn)、精進其效能和降低其變異性。除此之外，我們也在研究低溫組件的低溫電子學、3D整合以及封裝。」

解決量子位的變異性問題

要制造一臺有用的量子計算機，一項重要的先決條件是讓數(shù)量充足且穩(wěn)定的量子位能一同運作。若要實現(xiàn)最具潛力的應用，就需要數(shù)以百萬的高質(zhì)量量子位。盡管目標是制造出能均勻迭加且高精度運作的量子位，目前的量子位仍具備高變異性，因此必須采取許多措施來補償運算錯誤的產(chǎn)生。

愛美科將量子位移至300mm晶圓廠制造，已經(jīng)可以提供特定制程步驟所需的更高精度，以針對標準化與均勻度進行改良。

圖一 : 超導體和半導體量子位的優(yōu)缺點比較。

超導體與半導體量子位

愛美科研究兩種量子位：半導體和超導體量子位。兩者皆與CMOS制程兼容，且能與傳統(tǒng)電路共整合。Iuliana Radu表示：「我們在這兩個開發(fā)平臺上各自建立了首批量子位示范裝置，現(xiàn)在正專注于提升性能和降低變異性。」

目前的示范裝置以超導體量子位運作，像是Google的量子計算機。超導體量子位較容易制造，且到目前為止，其變異性也較低；量子位間要產(chǎn)生糾纏態(tài)也很容易。但是超導體組件體積大，大約是平方毫米級（mm2），因此，若要整合至百萬級量子位的系統(tǒng)，可行性較低。

根據(jù)Radu的說法：「另一方面，半導體的硅自旋量子位尺寸極小，更難制造，且通常變異性較高。就其好處，半導體量子位具備量產(chǎn)的潛能，因此，如果我們能找到控制其變異性的方法，半導體就可能成為最佳選擇。如果沒辦法，我們就得想出其他聰明方法來量產(chǎn)超導體量子位。在未來的某刻，其中一種量子位會占上風，但以現(xiàn)況來說，還不清楚會是哪個。」

普通硅量子位

Nard Dumoulin Stuyck是愛美科量子組件研究團隊中的博士研究員，研究重心在半導體量子位。他表示：「我們的目標是發(fā)展出一項成熟且可規(guī)?；牧孔游患夹g，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)的量產(chǎn)需求?！?/span>

Stuyck進一步說明硅和硅氧化物在量產(chǎn)需求上擁有幾項特有優(yōu)勢：「首先，它們和現(xiàn)有的芯片技術兼容，所以我們可以取材自豐富的開發(fā)經(jīng)驗，并借助已發(fā)展完善的制程，來實現(xiàn)大量制造。再者，和其他常用材料（例如III/V族材料）相比，硅材料具備根本優(yōu)勢。因為III/V族擁有原子核自旋特性，會和量子位的電子自旋反應，而硅和硅氧化物沒有核自旋，因此較容易控制?！?/span>

圖二 : 硅28同位素沒有核自旋，能制造出具備較長相干時間（coherence time；圖中的T2*）的自旋量子位。

披荊斬棘 驅(qū)動量子位開發(fā)之路

Iuliana Radu表示：「即使有數(shù)百萬個，但晶體管幾乎完全相同，相比之下，量子位的特點在于其變異性大，每個都大不相同。這代表著，在制造量子計算機時，我們必需為每個量子位客制驅(qū)動和讀取電路，導致對周邊組件的需求呈現(xiàn)爆炸性成長。其實這也是目前遇到的主要限制之一，也很可能是Google和IBM的量子計算機僅有53量子位的原因。」

圖三 : 半導體量子位的控制電路范例：圖中的閘極堆棧具備兩個可以束縛量子位的量子點。

由于量子位在室溫中無法控制，必需將其冷卻至幾近絕對零度。而為了降溫至超低溫，量子位必須保存于低溫設備中，所有驅(qū)動電路也必須在空間受限的冰箱內(nèi)以極低溫運作。

Radu表示：「組件模塊和晶體管在10-100mK的溫度范圍內(nèi)展現(xiàn)不同特性。此外，冰箱內(nèi)的每條金屬線都占據(jù)了寶貴的空間，還會產(chǎn)生熱和噪音，這些都會干擾量子位。我們正在愛美科進行物理學的特征化、建模和理解其中原理，并為這些極端工作環(huán)境設計晶體管組件?！?/span>

漸進成就巨量 邁向量子位時代

目前愛美科正在研究超導體量子位的電路，超導體量子位的制程更短，因此更容易優(yōu)化。拿來比較的話，晶圓廠生產(chǎn)超導體量子位需要約60道步驟，而制造半導體自旋量子位，則需250到300道步驟。

Iuliana Radu說：「但是在現(xiàn)階段，沒有什么輕而易舉之事。要減輕這些技術問題，不過是研究問題。我們的目標是在未來三到四年內(nèi)優(yōu)化這些量子位和電路。之后，我期望看到量子位的性能獲得提升，并開發(fā)出量子位的邏輯組件示范?！?/span>