英特爾新晶片促進量子運算的矽自旋量子位元研究

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英特爾新晶片促進量子運算的矽自旋量子位元研究

文．圖／張國華 2023-06-20 16:22:45

英特爾宣布推出最新的量子研究晶片－Tunnel Falls，這是一款擁有12個量子位元的矽晶片，並將該晶片提供給量子研究社群使用。此外，英特爾與國家級量子資訊科學（QIS）研究中心、位於美國馬里蘭大學量子位元合作實驗室（LQC）的物理科學實驗室（LPS）進行合作，促進量子運算研究。

「借鑑英特爾數十年來的電晶體設計和製造長才，Tunnel Falls是英特爾迄今為止最先進的矽自旋量子位元晶片。新晶片的推出，標誌著英特爾建立全堆疊商業量子電腦系統長期戰略的下一步。即便在通往容錯量子電腦（fault-tolerant quantum computer）路上仍有必須解決的根本問題和挑戰，但學術界現在即可探索這項技術並加速研究發展。」
－Jim Clarke，英特爾量子硬體總監

為何重要：目前，多數學術機構並沒有如同英特爾般的量產製造設備。有了Tunnel Falls，研究人員可以立即開始進行實驗與研究，而不是試圖製造自己的裝置。研究人員因此可以進行更廣泛的實驗，包含更深入了解量子位元和量子點的基礎知識，並發展新技術來處理具備更多量子位元的設備。

為進一步解決相關問題，英特爾正在與LQC合作，以美國陸軍研究辦公室Qubits for Computing Foundry（QCF）計畫當中一部份的方式，向研究實驗室提供英特爾的新量子晶片。與LQC的合作有助於矽自旋量子位元的民主化，讓研究人員可以透過規模化的量子位元陣列，獲取這些量子位元的實作經驗。這項倡議旨在加強人才培育，開啟新量子研究的大門並促進整體量子生態系的發展。

第一批參與該計畫的量子實驗室包含LPS、美國桑迪亞國家實驗室、美國羅徹斯特大學和威斯康辛大學麥迪遜分校。LQC將與英特爾攜手合作，讓更多的大學和實驗室也能夠使用Tunnel Falls。從這些實驗當中所收集到的資訊將與社群分享，藉此促進量子研究，並協助英特爾提升量子位元的效能和可擴展性。
LPS量子資訊科學主任Charles Tahan表示：「LPS量子位元合作實驗室與陸軍研究辦公室攜手，尋求解決量子位元開發所面臨的艱鉅挑戰，並培育開創量子位元未來的下一世代科學家。英特爾的參與，是自旋量子位元探索民主化和英特爾量子資訊處理願景的重要里程碑，並彰顯LQC將產業界、學術界、國家實驗室和政府聚集在一起的使命。」

桑迪亞國家實驗室傑出的技術專家Dwight Luhman表示：「桑迪亞國家實驗室很高興能夠收到Tunnel Falls晶片。這款裝置是個靈活的平台，讓桑迪亞的量子研究人員能夠做到先前不可能的事，如直接比較不同的量子編碼並開發新的量子操作模式。這精密複雜的程度，讓我們能夠在多量子位元體系中開創新穎的操作方式和演算法，並提升我們在矽基量子系統中的學習速度。Tunnel Falls的預期可靠性也能夠讓桑迪亞快速上手，並培訓從事矽量子位元技術的新進員工。」
威斯康辛大學麥迪遜分校物理系主任暨約翰巴丁物理學教授Mark A. Eriksson表示：「威斯康辛大學麥迪遜分校的研究人員，投身在矽量子位元的研發上已有20年，他們非常高興能夠與LQC一同合作。學生有機會與工業裝置一同工作，而這些裝置得益於英特爾的微電子專業知識和基礎設施，為技術進步、教育和人才培育提供重要的機會。」

關於Tunnel Falls：Tunnel Falls是英特爾向研究社群推出的第一款矽自旋量子位元裝置。這款具有12個量子位元的裝置在D1工廠以300mm晶圓製造，使用英特爾最先進的電晶體工業製造能力，包含極紫外光（EUV）、閘極和接點處理技術。在矽自旋量子位元中，資訊（0∕1）被編碼至單一電子的自旋（上∕下）當中。每個量子位元裝置本質上是1個單電子電晶體，這讓英特爾能夠使用與標準互補式金屬氧化物半導體（CMOS）邏輯產線類似的製造流程來生產。
英特爾認為矽自旋量子位元相較於其它量子位元技術更具優勢，因為它們可以和尖端電晶體協同作用。其尺寸與電晶體相差無幾，是其它類型量子位元的百萬分之一，約為長50奈米、寬50奈米，具備有效擴展的潛力。根據《Nature Electronics》科學期刊的報導，「矽是最有潛力放大量子運算規模的平台」。
與此同時，英特爾透過先進的CMOS產線，使用創新製程控制技術來實現良率和效能。例如Tunnel Falls這款12個量子位元裝置在整片晶圓上有著95％的良率，電壓均勻性亦與CMOS邏輯製程相似，每片晶圓可提供超過24,000個量子點裝置。這些12個量子點的晶片可以形成4至12個量子位元，量子位元則能夠相互隔離並同時操作，實際情況將取決於大學或實驗室如何操作其系統。

更進一步：英特爾將不斷努力提升Tunnel Falls的效能，並將其與英特爾量子軟體開發套件（SDK）整合至完整的量子堆疊當中。除此之外，英特爾已著手開發以Tunnel Falls為基礎的次世代量子晶片，預計在2024年發表。未來，英特爾計畫與全球更多研究機構合作，建立量子生態系。

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