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Take Home Message
• 超導量子位元利用約瑟夫結來創造基本量子態，製作過程如有瑕疵、晶格缺陷等問題，將會影響量子位元的穩定性和運行時間。
• 我們可以使用微波訊號對量子位元進行精確的調控。由於量子位元易受外部干擾，精密的量測系統與定期校整才能保持運算精準度。
• 臺灣憑藉強大的半導體製程能力，已逐步建設了超導量子電腦平臺，未來有望在全球量子電腦產業中發揮重要作用。

去（2024）年12 月初，Google 公布最新的超導量子晶片――擁有105 個量子位元的Willow，隨即在量子電腦領域引起了一個軒然大波。因為這是第一次有實驗證明使用了錯誤修正技術，隨著量子位元數的增加，錯誤率可以降低，向實際可用的量子電腦踏入一大步。在Google 發表一星期後，中國也發表了一顆105 量子位元晶片、特性與Willow 相當的「祖沖之三號」，可見此領域競爭的激烈。量子位元（quantum bit, qubit）是量子電腦的基本運算單元。與傳統電腦不同，量子電腦是利用兩個量子態「|0 〉（基態）與|1 〉（第一激發態）」來代表傳統位元的「0 與1」。量子位元藉由量子的特性，例如相干性、疊加態等，發展出有別於傳統電腦的新系統。就像傳統電腦內具有中央處理器（central processing unit, CPU）一般，量子電腦的核心也就是量子位元所在的晶片，稱為量子處理器（quantum processing unit, QPU）。

另一方面，超導體是上世紀最重要的發現之一，它的量子效應讓許多針對超導體的研究如雨後春筍般發展。其中，利用超導薄膜金屬建立起的超導量子位元系統，在近20 年來形成量子電腦架構的發展主流之一，包含美國的IBM、Google、Rigetti、加拿大的D-wave、芬蘭的IQM 等多家公司，皆是採用超導量子位元，進一步建構它們的量子電腦系統，可見超導量子系統發展的前瞻性。

接下來，筆者將介紹如何利用超導材料製作量子位元的技術，以及架構整臺超導量子電腦系統的方法，最後總結臺灣在超導量子電腦系統可以發展的方向與展望。

超導量子晶片的製作與挑戰

QPU 與CPU 一樣，都是以現有的半導體製程製作，不同的是超導量子晶片的元件材料皆為超導薄膜金屬，它的主要組成包含量子位元、位元控制線、讀取共振腔，以及讀取線等（圖一）。圖一中淺灰色的部分即為超導材料（鋁），其餘深色部分皆為基板（矽）材料。其中，製作出|0〉及|1〉量子位元的主體――約瑟夫結（Josephson junction），是由超導、絕緣體、超導三層結構組成。電路上的約瑟夫結與設計好的電容並聯形成一個人造原子，它最低的兩個能階分別定義為|0〉與|1〉，也就是量子位元需要的量子態。實際上，這兩個能階的能量差約是0.24 K（克耳文，0 K ＝ –273.15 ℃），或以光子頻率表示約為5 GHz（十億赫茲）。

圖一｜超導量子晶片的主要元件材料

中央研究院最新的20 個位元量子晶片的照片，晶片邊長16.6 毫米（mm）。在晶片中央，每個十字型計算用的位元間有一顆鑰匙形狀的耦合用的位元，連結形成一長條型的排列。每個位元有獨自的彎曲線型讀取共振腔，以及它的控制線、訊號讀取線等。整個晶片元件皆為鋁金屬薄膜結構，基板材料為高阻值矽晶圓。


量子位元部分十字架底部的放大圖，十字架是量子位元的電容器，而它底部是並聯的兩顆超導三層結構約瑟夫結，它們是量子位元內的主動元件。傳輸線上以懸浮空橋加強地線品質。


鋁／氧化鋁／鋁三層結構約瑟夫結，十字結構上下層為鋁，中間夾著約一奈米（nm）厚的氧化鋁絕緣層。
 

由於量子位元對基板或金屬介面上的原子尺度的雜質或晶格瑕疵等非常敏感，在製程中產生的缺陷會降低量子位元的同調時間，也可能導致較高的錯誤率。因此如何在曝光蝕刻後，完全清除雜質但又不破壞材料晶格是一大關鍵挑戰。另外，在多位元晶片中，如何最佳化控制量子位元間的相互溝通以降低量子邏輯閘〔註〕的錯誤率，以及在高密度的控制讀取線環境下如何最小化鄰近控制訊號對量子位元的磁場與微波干擾，這些都是設計與製程上的考驗。為了解決這些問題，高密度的3D 封裝包含覆晶晶片（flip-chip bonding）、矽穿孔（throughsilicon-via, TSV）等技術，這些都是未來必要的開發方向。

〔註〕邏輯閘是執行計算的基本運算單元。在古典電腦，使用單一位元的邏輯閘包含最單純的NOT閘，雙位元邏輯閘包含AND、OR、NAND、NOR等。雙位元邏輯閘使邏輯判斷變為可能。同理，量子邏輯閘是執行量子運算的基本單元，總類繁多，在此不多贅述。

因為超導位元的能階高度僅約0.25 K，實際運作時，科學家可以利用氦氣稀釋致冷機（dilution refrigerator）將量子晶片及封裝盒與降至約10mK（–273.14℃）。保持量子態的純淨度是量子位元最重要的需求，除了控制的訊號外，要避免任何不可控的激發機制去干擾它。……【更多內容請閱讀科學月刊第661期】