浅谈量子位与量子电路

量子计算机正受到全球的广泛关注，但在它能处理复杂问题前，还需先研究如何开发可规模化且稳定的量子位与低温电子组件。爱美科正努力透过基于半导体与超导体的量子位，以及能够适应低温的客制电路设计，让量子运算技术得以实现。

量子计算机正受到全球各大研究实验室的关注，原因在其开发潜力，能远远超越现代计算机的运算力，并解决像是药物发现、物流、强化机器学习等复杂问题。但在量子计算机具备解决复杂难题的能力前，还需先研究如何开发出可规模化且稳定的量子位（qubit）与低温电子组件。为此，爱美科持续开发基于半导体和超导体的量子位，并针对适应低温的功能，进行客制电路的设计工作，使得量子运算技术得以实现。

量子运算的争战

量子运算领域的科技战开打了，目标是设计出首台可用的量子计算机，因为和现代计算机相比，量子计算机代表着惊人的处理速度升级。为了达成这项目标，世界各地的研究团队都在设计让量子运算成真所需的量子位、电路和低温组件。虽然首部量子计算机已经在Google的53量子位计算机中亮相，但量子计算机的最大潜能还未实现。诸多挑战仍待解决，包括制造出大量且稳定的量子位、建立其周边的控制电路，并让所有组件在接近绝对零度的环境下运作。

爱美科量子与探索性运算计划主持人Iuliana Rada解释：「爱美科在高精度制程开发上累积了广博专业知识，且能够运作整合式组件制程，同时进行组件设计与建模，恰好来处理量子运算中一些最迫切的研发挑战。我们的量子研究主要聚焦在实现量子位的量产、精进其效能和降低其变异性。除此之外，我们也在研究低温组件的低温电子学、3D整合以及封装。」

解决量子位的变异性问题

要制造一台有用的量子计算机，一项重要的先决条件是让数量充足且稳定的量子位能一同运作。若要实现最具潜力的应用，就需要数以百万的高质量量子位。尽管目标是制造出能均匀迭加且高精度运作的量子位，目前的量子位仍具备高变异性，因此必须采取许多措施来补偿运算错误的产生。

爱美科将量子位移至300mm晶圆厂制造，已经可以提供特定制程步骤所需的更高精度，以针对标准化与均匀度进行改良。

图一 : 超导体和半导体量子位的优缺点比较。

超导体与半导体量子位

爱美科研究两种量子位：半导体和超导体量子位。两者皆与CMOS制程兼容，且能与传统电路共整合。Iuliana Radu表示：「我们在这两个开发平台上各自建立了首批量子位示范装置，现在正专注于提升性能和降低变异性。」

目前的示范装置以超导体量子位运作，像是Google的量子计算机。超导体量子位较容易制造，且到目前为止，其变异性也较低；量子位间要产生纠缠态也很容易。但是超导体组件体积大，大约是平方毫米级（mm2），因此，若要整合至百万级量子位的系统，可行性较低。

根据Radu的说法：「另一方面，半导体的硅自旋量子位尺寸极小，更难制造，且通常变异性较高。就其好处，半导体量子位具备量产的潜能，因此，如果我们能找到控制其变异性的方法，半导体就可能成为最佳选择。如果没办法，我们就得想出其他聪明方法来量产超导体量子位。在未来的某刻，其中一种量子位会占上风，但以现况来说，还不清楚会是哪个。」

普通硅量子位

Nard Dumoulin Stuyck是爱美科量子组件研究团队中的博士研究员，研究重心在半导体量子位。他表示：「我们的目标是发展出一项成熟且可规模化的量子位技术，实现产业的量产需求。」

Stuyck进一步说明硅和硅氧化物在量产需求上拥有几项特有优势：「首先，它们和现有的芯片技术兼容，所以我们可以取材自丰富的开发经验，并借助已发展完善的制程，来实现大量制造。再者，和其他常用材料（例如III/V族材料）相比，硅材料具备根本优势。因为III/V族拥有原子核自旋特性，会和量子位的电子自旋反应，而硅和硅氧化物没有核自旋，因此较容易控制。」

图二 : 硅28同位素没有核自旋，能制造出具备较长相干时间（coherence time；图中的T2*）的自旋量子位。

披荆斩棘 驱动量子位开发之路

Iuliana Radu表示：「即使有数百万个，但晶体管几乎完全相同，相比之下，量子位的特点在于其变异性大，每个都大不相同。这代表着，在制造量子计算机时，我们必需为每个量子位客制驱动和读取电路，导致对周边组件的需求呈现爆炸性成长。其实这也是目前遇到的主要限制之一，也很可能是Google和IBM的量子计算机仅有53量子位的原因。」

图三 : 半导体量子位的控制电路范例：图中的闸极堆栈具备两个可以束缚量子位的量子点。

由于量子位在室温中无法控制，必需将其冷却至几近绝对零度。而为了降温至超低温，量子位必须保存于低温设备中，所有驱动电路也必须在空间受限的冰箱内以极低温运作。

Radu表示：「组件模块和晶体管在10-100mK的温度范围内展现不同特性。此外，冰箱内的每条金属线都占据了宝贵的空间，还会产生热和噪音，这些都会干扰量子位。我们正在爱美科进行物理学的特征化、建模和理解其中原理，并为这些极端工作环境设计晶体管组件。」

渐进成就巨量 迈向量子位时代

目前爱美科正在研究超导体量子位的电路，超导体量子位的制程更短，因此更容易优化。拿来比较的话，晶圆厂生产超导体量子位需要约60道步骤，而制造半导体自旋量子位，则需250到300道步骤。

Iuliana Radu说：「但是在现阶段，没有什么轻而易举之事。要减轻这些技术问题，不过是研究问题。我们的目标是在未来三到四年内优化这些量子位和电路。之后，我期望看到量子位的性能获得提升，并开发出量子位的逻辑组件示范。」