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。

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。

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。

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）