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發揮半導體優勢 彎道超車

本文共1111字

經濟日報 吳志毅

近年量子科技的運用中,量子電腦因較古典電腦具強大的運算能力及重量級應用,受到全世界各國與高科技廠商極大的關注與投資,學術界與產業界更掀起研發熱潮。量子電腦發展過程中,量子位元控制讀取電路是關鍵因素,並大量仰賴半導體製程與電路設計相關的尖端科技。

經濟部技術處運用科技專案計畫推動關鍵產業技術,結合台灣半導體產業優勢,發展控制與讀取量子位元的「低溫電路關鍵模組」,提供「通用量子電腦」面臨擴充性困難時的解決方案。在量子電腦產業初期投入資源,進行突破性的研究與開發,有助台灣在第二次量子革命的浪潮中站穩關鍵位置,持續樹立半導體產業的領先地位。

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現在主流的「通用量子電腦」硬體製作方式有三種:超導體、離子阱及量子點。其中,超導體量子位元在製作及可擴充性上都有較佳的發展可能性,是最有機會商業化的技術。IBM與Google在全球通用量子電腦領域居領先地位,2021年底IBM發表127量子位元(qubit)超導體量子電腦「Eagle」,並提供全世界研究單位做為量子演算法實際運算的場域。

超導體量子位元極脆弱,易受環境雜訊干擾,使儲存於量子位元的資訊發生錯誤。因此超導體量子位元需在10mK冰箱(零下273°C稀釋冷凍機)的環境下操作,以降低環境熱輻射的影響;即便在低溫環境下運作,超導體量子位元仍須由數個量子位元形成一個單元,藉由彼此的互相耦合來進行錯誤更正,才能使量子位元的錯誤率降低至可使用的範圍。在此情況下,一台可以解決真實問題的量子電腦,估計需由數萬甚至數百萬個量子位元數構成方能達成。

超導體量子電腦中,每一量子位元需要透過導線傳送頻率為4-10GHz的微波訊號進行控制,使量子位元內部的資訊處於0、1或是0與1的疊加狀態。當計算結束後,再以微波讀取量子位元的狀態。

與古典電腦不同,量子位元控制與讀取的導線是各自獨立,且無法與其他量子位元共用。若超導體量子位元數增加至數萬或是數百萬個時,隨著由室溫進入冰箱的導線數目增加,將可能引入更多的環境雜訊,造成負面影響。

低溫電路模組(CryoCMOS circuit)是最被期待可解決此問題的方式。將產生微波訊號的儀器設備,微縮成單一的低溫控制讀取模組,操作於冰箱中溫度4K的區域,僅須透過少數的數位訊號傳送命令至低溫模組,由模組直接發送微波訊號,操控與讀取量子位元內部資訊,大幅降低引入冰箱的導線需求,阻絕環境干擾。

目前量子電腦研發仍處於早期階段,在處理真實世界的問題前,擴展量子位元數目的製程技術上仍有些問題須克服。但在技術處科專支持與產業推動下,台灣應能發揮半導體上的優勢,在量子電腦技術上彎道超車,再創新局。

(作者是經濟部技術處量子科技關鍵元件及電路模組開發計畫資深技術專家)

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