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浅谈量子位元与量子电路
 

【作者: Iuliana Radu等人】2020年06月18日 星期四

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量子电脑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元与低温电子元件。爱美科正努力透过基於半导体与超导体的量子位元,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。


量子电脑正受到全球各大研究实验室的关注,原因在其开发潜力,能远远超越现代电脑的运算力,并解决像是药物发现、物流、强化机器学习等复杂问题。但在量子电脑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元(qubit)与低温电子元件。为此,爱美科持续开发基於半导体和超导体的量子位元,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电脑,因为和现代电脑相比,量子电脑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元、电路和低温元件。虽然首部量子电脑已经在Google的53量子位元电脑中亮相,但量子电脑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元、建立其周边的控制电路,并让所有元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画主持人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,且能够运作整合式元件制程,同时进行元件设计与建模,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元的量产、精进其效能和降低其变异性。除此之外,我们也在研究低温元件的低温电子学、3D整合以及封装。」


解决量子位元的变异性问题

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


爱美科将量子位元移至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。


超导体与半导体量子位元

爱美科研究两种量子位元:半导体和超导体量子位元。两者皆与CMOS制程相容,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元示范装置,现在正专注於提升性能和降低变异性。」


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



图一 : 超导体和半导体量子位元的优缺点比较。
图一 : 超导体和半导体量子位元的优缺点比较。

根据Radu的说法:「另一方面,半导体的矽自旋量子位元尺寸极小,更难制造,且通常变异性较高。就其好处,半导体量子位元具备量产的潜能,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隹选择。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元。在未来的某刻,其中一种量子位元会占上风,但以现况来说,还不清楚会是哪个。」


普通矽量子位元

Nard Dumoulin Stuyck是爱美科量子元件研究团队中的博士研究员,研究重心在半导体量子位元。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元技术,实现产业的量产需求。」


Stuyck进一步说明矽和矽氧化物在量产需求上拥有几项特有优势:「首先,它们和现有的晶片技术相容,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,矽材料具备根本优势。因为III/V族拥有原子核自旋特性,会和量子位元的电子自旋反应,而矽和矽氧化物没有核自旋,因此较容易控制。」



图二 : 矽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*)的自旋量子位元。
图二 : 矽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*)的自旋量子位元。

披荆斩棘 驱动量子位元开发之路

Iuliana Radu表示:「即使有数百万个,但电晶体几??完全相同,相比之下,量子位元的特点在於其变异性大,每个都大不相同。这代表着,在制造量子电脑时,我们必需为每个量子位元客制驱动和读取电路,导致对周边元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的量子电脑仅有53量子位元的原因。」



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

温度则是另一项挑战。由於量子位元在室温中无法控制,必需将其冷却至几近绝对零度。而为了降温至超低温,量子位元必须保存於低温设备中,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:「元件模组和电晶体在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元。我们正在爱美科进行物理学的特徵化、建模和理解其中原理,并为这些极端工作环境设计电晶体元件。」


渐进成就巨量 迈向量子位元时代

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


Iuliana Radu说:「但是在现阶段,没有什麽轻而易举之事。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元和电路。之後,我期??看到量子位元的性能获得提升,并开发出量子位元的逻辑元件示范。」


(本文由爱美科授权刊登;作者Iuliana Radu1和Nard Dumoulin Stuyck2为爱美科1量子与探索性运算计画主持人、2博士研究员/编译:吴雅婷)


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