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淺談量子位元與量子電路
 

【作者: Iuliana Radu等人】   2020年06月18日 星期四

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量子電腦正受到全球的廣泛關注,但在它能處理複雜問題前,還需先研究如何開發可規模化且穩定的量子位元與低溫電子元件。愛美科正努力透過基於半導體與超導體的量子位元,以及能夠適應低溫的客製電路設計,讓量子運算技術得以實現。


量子電腦正受到全球各大研究實驗室的關注,原因在其開發潛力,能遠遠超越現代電腦的運算力,並解決像是藥物發現、物流、強化機器學習等複雜問題。但在量子電腦具備解決複雜難題的能力前,還需先研究如何開發出可規模化且穩定的量子位元(qubit)與低溫電子元件。為此,愛美科持續開發基於半導體和超導體的量子位元,並針對適應低溫的功能,進行客製電路的設計工作,使得量子運算技術得以實現。


量子運算的爭戰

量子運算領域的科技戰開打了,目標是設計出首台可用的量子電腦,因為和現代電腦相比,量子電腦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元、電路和低溫元件。雖然首部量子電腦已經在Google的53量子位元電腦中亮相,但量子電腦的最大潛能還未實現。諸多挑戰仍待解決,包括製造出大量且穩定的量子位元、建立其周邊的控制電路,並讓所有元件在接近絕對零度的環境下運作。


愛美科量子與探索性運算計畫主持人Iuliana Rada解釋:「愛美科在高精度製程開發上累積了廣博專業知識,且能夠運作整合式元件製程,同時進行元件設計與建模,恰好來處理量子運算中一些最迫切的研發挑戰。我們的量子研究主要聚焦在實現量子位元的量產、精進其效能和降低其變異性。除此之外,我們也在研究低溫元件的低溫電子學、3D整合以及封裝。」


解決量子位元的變異性問題

要製造一台有用的量子電腦,一項重要的先決條件是讓數量充足且穩定的量子位元能一同運作。若要實現最具潛力的應用,就需要數以百萬的高品質量子位元。儘管目標是製造出能均勻疊加且高精度運作的量子位元,目前的量子位元仍具備高變異性,因此必須採取許多措施來補償運算錯誤的產生。


愛美科將量子位元移至300mm晶圓廠製造,已經可以提供特定製程步驟所需的更高精度,以針對標準化與均勻度進行改良。


超導體與半導體量子位元

愛美科研究兩種量子位元:半導體和超導體量子位元。兩者皆與CMOS製程相容,且能與傳統電路共整合。Iuliana Radu表示:「我們在這兩個開發平台上各自建立了首批量子位元示範裝置,現在正專注於提升性能和降低變異性。」


目前的示範裝置以超導體量子位元運作,像是Google的量子電腦。超導體量子位元較容易製造,且到目前為止,其變異性也較低;量子位元間要產生糾纏態也很容易。但是超導體元件體積大,大約是平方毫米級(mm2),因此,若要整合至百萬級量子位元的系統,可行性較低。



圖一 : 超導體和半導體量子位元的優缺點比較。
圖一 : 超導體和半導體量子位元的優缺點比較。

根據Radu的說法:「另一方面,半導體的矽自旋量子位元尺寸極小,更難製造,且通常變異性較高。就其好處,半導體量子位元具備量產的潛能,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超導體量子位元。在未來的某刻,其中一種量子位元會佔上風,但以現況來說,還不清楚會是哪個。」


普通矽量子位元

Nard Dumoulin Stuyck是愛美科量子元件研究團隊中的博士研究員,研究重心在半導體量子位元。他表示:「我們的目標是發展出一項成熟且可規模化的量子位元技術,實現產業的量產需求。」


Stuyck進一步說明矽和矽氧化物在量產需求上擁有幾項特有優勢:「首先,它們和現有的晶片技術相容,所以我們可以取材自豐富的開發經驗,並借助已發展完善的製程,來實現大量製造。再者,和其他常用材料(例如III/V族材料)相比,矽材料具備根本優勢。因為III/V族擁有原子核自旋特性,會和量子位元的電子自旋反應,而矽和矽氧化物沒有核自旋,因此較容易控制。」



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

披荊斬棘 驅動量子位元開發之路

Iuliana Radu表示:「即使有數百萬個,但電晶體幾乎完全相同,相比之下,量子位元的特點在於其變異性大,每個都大不相同。這代表著,在製造量子電腦時,我們必需為每個量子位元客製驅動和讀取電路,導致對周邊元件的需求呈現爆炸性成長。其實這也是目前遇到的主要限制之一,也很可能是Google和IBM的量子電腦僅有53量子位元的原因。」



圖三 : 半導體量子位元的控制電路範例:圖中的閘極堆疊具備兩個可以束縛量子位元的量子點。
圖三 : 半導體量子位元的控制電路範例:圖中的閘極堆疊具備兩個可以束縛量子位元的量子點。

溫度則是另一項挑戰。由於量子位元在室溫中無法控制,必需將其冷卻至幾近絕對零度。而為了降溫至超低溫,量子位元必須保存於低溫設備中,所有驅動電路也必須在空間受限的冰箱內以極低溫運作。


Radu表示:「元件模組和電晶體在10-100mK的溫度範圍內展現不同特性。此外,冰箱內的每條金屬線都佔據了寶貴的空間,還會產生熱和噪音,這些都會干擾量子位元。我們正在愛美科進行物理學的特徵化、建模和理解其中原理,並為這些極端工作環境設計電晶體元件。」


漸進成就巨量 邁向量子位元時代

目前愛美科正在研究超導體量子位元的電路,超導體量子位元的製程更短,因此更容易優化。拿來比較的話,晶圓廠生產超導體量子位元需要約60道步驟,而製造半導體自旋量子位元,則需250到300道步驟。


Iuliana Radu說:「但是在現階段,沒有什麼輕而易舉之事。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優化這些量子位元和電路。之後,我期望看到量子位元的性能獲得提升,並開發出量子位元的邏輯元件示範。」


(本文由愛美科授權刊登;作者Iuliana Radu1和Nard Dumoulin Stuyck2為愛美科1量子與探索性運算計畫主持人、2博士研究員/編譯:吳雅婷)


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