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浅谈量子位与量子电路

作者:Iuliana Radu ​爱美科 时间:2020-06-25来源:CTIMES收藏

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,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。

本文引用地址:http://www.gzmtlsjy.com/article/202006/414704.htm

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(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。

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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。」


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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。」

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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。」



关键词: 量子位 量子电路

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