淺談量子位與量子電路

量子計(jì)算機(jī)正受到全球的廣泛關(guān)注，但在它能處理復(fù)雜問題前，還需先研究如何開發(fā)可規(guī)?；曳€(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(dǎo)體與超導(dǎo)體的量子位，以及能夠適應(yīng)低溫的客制電路設(shè)計(jì)，讓量子運(yùn)算技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。

量子計(jì)算機(jī)正受到全球各大研究實(shí)驗(yàn)室的關(guān)注，原因在其開發(fā)潛力，能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的運(yùn)算力，并解決像是藥物發(fā)現(xiàn)、物流、強(qiáng)化機(jī)器學(xué)習(xí)等復(fù)雜問題。但在量子計(jì)算機(jī)具備解決復(fù)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(dǎo)體和超導(dǎo)體的量子位，并針對(duì)適應(yīng)低溫的功能，進(jìn)行客制電路的設(shè)計(jì)工作，使得量子運(yùn)算技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。

量子運(yùn)算的爭(zhēng)戰(zhàn)

量子運(yùn)算領(lǐng)域的科技戰(zhàn)開打了，目標(biāo)是設(shè)計(jì)出首臺(tái)可用的量子計(jì)算機(jī)，因?yàn)楹同F(xiàn)代計(jì)算機(jī)相比，量子計(jì)算機(jī)代表著驚人的處理速度升級(jí)。為了達(dá)成這項(xiàng)目標(biāo)，世界各地的研究團(tuán)隊(duì)都在設(shè)計(jì)讓量子運(yùn)算成真所需的量子位、電路和低溫組件。雖然首部量子計(jì)算機(jī)已經(jīng)在Google的53量子位計(jì)算機(jī)中亮相，但量子計(jì)算機(jī)的最大潛能還未實(shí)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(duì)零度的環(huán)境下運(yùn)作。

愛美科量子與探索性運(yùn)算計(jì)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(shí)，且能夠運(yùn)作整合式組件制程，同時(shí)進(jìn)行組件設(shè)計(jì)與建模，恰好來處理量子運(yùn)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(shí)現(xiàn)量子位的量產(chǎn)、精進(jìn)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(xué)、3D整合以及封裝?！?/span>

解決量子位的變異性問題

要制造一臺(tái)有用的量子計(jì)算機(jī)，一項(xiàng)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(yùn)作。若要實(shí)現(xiàn)最具潛力的應(yīng)用，就需要數(shù)以百萬的高質(zhì)量量子位。盡管目標(biāo)是制造出能均勻迭加且高精度運(yùn)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(bǔ)償運(yùn)算錯(cuò)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(duì)標(biāo)準(zhǔn)化與均勻度進(jìn)行改良。

圖一 : 超導(dǎo)體和半導(dǎo)體量子位的優(yōu)缺點(diǎn)比較。

超導(dǎo)體與半導(dǎo)體量子位

愛美科研究?jī)煞N量子位：半導(dǎo)體和超導(dǎo)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?cè)谶@兩個(gè)開發(fā)平臺(tái)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?！?/span>

目前的示范裝置以超導(dǎo)體量子位運(yùn)作，像是Google的量子計(jì)算機(jī)。超導(dǎo)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(dǎo)體組件體積大，大約是平方毫米級(jí)（mm2），因此，若要整合至百萬級(jí)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體量子位。在未來的某刻，其中一種量子位會(huì)占上風(fēng)，但以現(xiàn)況來說，還不清楚會(huì)是哪個(gè)?！?/span>

普通硅量子位

Nard Dumoulin Stuyck是愛美科量子組件研究團(tuán)隊(duì)中的博士研究員，研究重心在半導(dǎo)體量子位。他表示：「我們的目標(biāo)是發(fā)展出一項(xiàng)成熟且可規(guī)模化的量子位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)的量產(chǎn)需求?！?/span>

Stuyck進(jìn)一步說明硅和硅氧化物在量產(chǎn)需求上擁有幾項(xiàng)特有優(yōu)勢(shì)：「首先，它們和現(xiàn)有的芯片技術(shù)兼容，所以我們可以取材自豐富的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，并借助已發(fā)展完善的制程，來實(shí)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(shì)。因?yàn)镮II/V族擁有原子核自旋特性，會(huì)和量子位的電子自旋反應(yīng)，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(zhǎng)相干時(shí)間（coherence time；圖中的T2*）的自旋量子位。

披荊斬棘 驅(qū)動(dòng)量子位開發(fā)之路

Iuliana Radu表示：「即使有數(shù)百萬個(gè)，但晶體管幾乎完全相同，相比之下，量子位的特點(diǎn)在于其變異性大，每個(gè)都大不相同。這代表著，在制造量子計(jì)算機(jī)時(shí)，我們必需為每個(gè)量子位客制驅(qū)動(dòng)和讀取電路，導(dǎo)致對(duì)周邊組件的需求呈現(xiàn)爆炸性成長(zhǎng)。其實(shí)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(jì)算機(jī)僅有53量子位的原因?！?/span>

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

由于量子位在室溫中無法控制，必需將其冷卻至幾近絕對(duì)零度。而為了降溫至超低溫，量子位必須保存于低溫設(shè)備中，所有驅(qū)動(dòng)電路也必須在空間受限的冰箱內(nèi)以極低溫運(yùn)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(huì)產(chǎn)生熱和噪音，這些都會(huì)干擾量子位。我們正在愛美科進(jìn)行物理學(xué)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(shè)計(jì)晶體管組件。」

漸進(jìn)成就巨量 邁向量子位時(shí)代

目前愛美科正在研究超導(dǎo)體量子位的電路，超導(dǎo)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(dǎo)體量子位需要約60道步驟，而制造半導(dǎo)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(shù)問題，不過是研究問題。我們的目標(biāo)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。」