IBM量子位元突破千個，全球量子競賽進入白熱化。但台灣並未跟隨這場「位元數競賽」，而是選擇了一條更務實的路，也就是從製造切入。量子電腦要規模化，最終仍要回到製程技術與系統整合。從組件製造到低溫控制，工研院正在打造台灣進入量子時代的「基礎建設」。 工研院電光所所長張世杰認為，面對量子運算競賽，台灣應從最強的製造領域切入。   這個「不跟著跑」的策略，源自對全球量子競賽格局的深刻理解。超導體、矽基、離子阱等多條技術路線並進，但目前最成熟的是超導體量子電腦，由Google和IBM領軍，IBM的量子位元已做到1121個。超導體量子電腦被看好的關鍵，在於它使用半導體製程，容易規模化——這正是台灣的機會。台灣在2022年啟動量子國家隊，5年投入80億元，集結中研院、工研院、清華大學等機構。 工研院電光所所長張世杰認為，面對量子運算競賽，台灣應從最強的製造領域切入，他投超導體一票，因為這與我們的技術範疇密切相關，對台灣產業最有利。不是去比誰的量子位元多，而是掌握讓量子電腦能真正規模化、商業化的底層技術。量子競賽的勝負，最終仍由製造決定。 8吋廠黃光出手　百挑一成穩定量產 「從百個挑一個到穩定量產」，這是工研院在量子組件製造上的關鍵突破。量子電腦有兩個基本組件：共振腔(Resonator)和量子位元(Qubit)。工研院在製造部分的進展，讓前Google量子電腦首席科學家John...

量子電腦很可能需要數百萬個量子位元(Qubit)，才能準確執行其所承諾的轉型計算(Transformational Calculations)。不過，擴增量子位元的數量仍是一大障礙。先進CMOS製程可以達到晶圓級均勻度，且生產良率高，但由於不同的設計和操作條件，所以無法直接用來生產量子位元結構。imec研究人員近期在imec自家先進試驗製程廠房內的一條客製化12吋晶圓產線，展示矽量子點自旋量子與超導量子位元的成功整合。 矽量子點自旋量子的一大優勢是與現有矽製程的相容性高。不過，到目前為止，在晶圓廠製造出的矽自旋量子位元，由於其使用的製程和材料會產生有害的電荷雜訊效應，故其電荷雜訊值通常會高於實驗室製造的對應量子位元。透過對閘極堆疊進行完全最佳化，imec研究人員在矽基金屬氧化物半導體(MOS)量子點元件上，創下最低紀錄的電荷雜訊值。 超導量子電路的生產，也遇到跟矽量子點自旋量子類似的問題。超導量子電路是目前發展最成熟的量子運算平台，但大多還是運用基於實驗室的技術，例如剝離製程和遮蔽式蒸鍍(Shadow...

量子電腦很可能需要數百萬個量子位元(Qubit)，才能準確執行其所承諾的轉型計算(Transformational Calculations)。不過，擴增量子位元的數量仍是一大障礙。先進CMOS製程可以達到晶圓級均勻度，且生產良率高，但由於不同的設計和操作條件，所以無法直接用來生產量子位元結構。imec研究人員近期在imec自家先進試驗製程廠房內的一條客製化12吋晶圓產線，展示矽量子點自旋量子與超導量子位元的成功整合。 對矽量子位元進行進階改良與特徵分析 接下來研究人員將進一步對這些量子位元進行特性分析並最佳化該製程，同時評估更大規模的量子位元陣列。其中一項重大問題仍是下降的電荷雜訊會對其他指標產生什麼影響？例如，雖然採用較厚的二氧化矽層(8~12奈米)有助於降低電荷雜訊，但也會增加量子點不同閘極之間的串擾，這會限制雙量子位元閘極的保真度。 更甚者，目前imec使用的製程是12吋晶圓電子束微影技術，因為其具備在每次設計迭代中改變設計的彈性。然而，電子束微影的產量有限，還有閘極對準精度方面的固有限制，這些都是其缺點。相較之下，主流CMOS製程使用的光學微影技術在減少對準誤差方面，還在持續改善。因此，從電子束改用光學微影(極紫外光微影)，應會幫助推動這些製程的技術成熟度。 最後，升級單一量子位元和催化其成熟發展只是第一步。另一項挑戰是把這些量子位元整合到功能性陣列，並達成陣列之間的雙向傳輸。目前所用的交疊閘極結構可以完美展示單一量子位元和雙量子位元的運作，但未來持續擴增到數十或數百個量子位元時會遇到瓶頸。因此，研究團隊正在開發能擴充到更大型量子位元陣列的元件結構。這類架構需要經過製程改良和開發「量子後段製程」，因此，確保高保真度量子位元的相容性，會是這項研發工作的主要重點。 超導量子位元：從實驗室走進晶圓廠 儘管矽自旋量子位元因為具備較小尺寸、長相干時間和高整合密度的微縮優勢，以及與CMOS製程的高度相容性，因而極具長期發展的潛力，但超導量子電路才是現階段發展最為完善的技術平台。超導量子位元的能量狀態易於控制，加上其製作以量子位元得以相互作用為目標，而這種組合已成功展示了中型規模的量子處理器，能耦合數十到數百個超導量子位元。這些量子位元在實驗室環境中可實現長達數百微秒(µs)的長相干時間，和高達99.995%的單一量子位元閘極保真度。這兩者是量子運算的重要指標。 不過，多數超導量子位元仍是在實驗室內製作，這些場域所用的技術，例如遮蔽式蒸鍍和剝離製程。這類「溫和的」製程有助於產出特別乾淨的介面。這對超導量子位元的最關鍵組件–約瑟夫森接面(Josephson...

運算是近兩年內最受業界關注的話題之一，除了伺服器運算，在人工智慧(AI)運算設備的效能逼近極限、散熱問題難解，同時量子運算領域的研究成果亮眼之下，量子電腦也成為市場的焦點。量子電腦可以快速分析複雜的問題，但是現階段量子電腦研究受限於量子位元不足，分析的錯誤率較高，業界在技術研發與商品化方面，還有努力的空間。 中原大學講座教授暨富士通量子中心主任張慶瑞回顧量子電腦的發展，1981年理察．費曼(Richard...

半導體產業在晶片效能需求持續飆升的趨勢下，後摩爾時代也將面臨物理極限。大型語言模型(LLM)等人工智慧(AI)應用的運算效能需求，每年翻倍成長。各國在AI領域不只比拚技術，更陷入算力的軍備競賽：擁有大量算力的國家，更有機會在AI技術的研發上領先。量子運算擅長處理大量資料，具備優異的平行運算能力，可以快速運算多個結果，而且沒有大量耗能與散熱問題，因此近期受到市場關注。 其中，離子阱研究涉及量子位元的數量，影響量子電腦是否能處理複雜問題，以及能否提供精準的運算結果。現階段離子阱研究仍有不少待克服的挑戰，未來離子阱也可望整合台灣的半導體製造實力，開發離子阱晶片。 鴻海研究院離子阱實驗室主任林俊達(圖1)說明，目前摩爾定律已經逼近極限，雖然有些處理器廠商的技術可以讓半導體的效能再成長一段時間，但是保守估計10~20年內，運算效能將不足以回應市場需求。面對半導體的局限，量子技術可望為運算產業帶來新興的方向。像是量子運算這樣的新技術，其發展都需要長時間醞釀，科學家與企業正在窮盡所有應用可能性的階段，市場上也來越多相關的投資。 圖1　鴻海研究院離子阱實驗室主任林俊達 現階段量子運算的研發，以全球比較大的經濟體或比較前瞻的企業為主。美國、歐盟與中國的發展速度飛快，台灣則比較晚起步。林俊達觀察，鴻海算是比較勇敢投入量子領域的企業之一，希望率先投入量子技術研究能為產業帶來拋磚引玉的作用。林俊達任職的鴻海研究院離子阱實驗室專攻量子運算硬體，是台灣目前唯一研究量子運算硬體的單位。 台灣在量子技術的起步晚於其他國家，除了需要加快研究腳步，也需要培育更多量子人才，才能支援產業未來的研發與應用。由於量子演算法來自於量子力學，運作原理跟古典電腦的0、1位元不同，多數的量子人才需要從零開始培養。因此不少量子研究單位向下扎根到高中階段，例如高中生的量子黑客松競賽，或者針對高中老師舉辦的培訓營隊，都能協助台灣產業培育量子人才。 量子電腦可望突破HPC瓶頸 AI的發展帶動市場對量子運算的關注，在生成式AI應用發酵之前，市場認為量子運算與AI的商機脫鉤。但是在2023~2024年間，...

在生成式人工智慧(AI)應用發酵後，伺服器的運算效能逐漸追不上AI的需求，龐大的電力與散熱負荷也成為難題。 量子運算技術與量子電腦以不同於矽基晶片的運算架構，打造全新的次世代運算版圖。量子運算在運算效能與資安兩大面向，成為受產業矚目的新星。未來所有的技術、科學研究也可望得益於量子運算技術，加速技術研發效率。因此，量子運算成為各國下一階段在科技領域競爭的重點技術，更將為半導體與製造產業帶來新的機會。台灣廠商作為量子領域的後進者，需要積極培育人才並透過跨領域投入，加快腳步跟上新商機。 量子運算除了可望支援AI的運算需求，其可以快速分析複雜問題的潛能，也將加快材料科學、金融、醫藥等領域的發展速度。目前量子技術除了學界積極地研究，市場上已經出現少量的量子電腦產品，可見量子運算也逐漸產業化，整體市場穩步成長。 量子市場穩定向上 根據Precedence...

是德科技(Keysight Technologies)推出量子電路模擬(Quantum Ckt Sim)，這是一個創新的電路設計環境，能加速複雜量子電路的開發。此外，透過與Google Quantum...

比利時微電子研究中心(imec)近日宣布，他們在12吋晶圓的矽基量子點自旋量子位元技術上取得重大進展，成功將1Hz頻率下的平均電荷雜訊降低至0.6µeV/√Hz，這是目前在12吋晶圓相容製程中所達到的最低值。這一成果顯示，12吋晶圓的量子位元製程已經成熟，未來有望實現大規模量子電腦。 imec研究團隊運用最先進的12吋晶圓整合流程所製成的矽基自旋量子點 基於兩大理由，矽材量子點自旋量子位元是用來實現大規模量子電腦的潛力構件。第一，矽材自旋量子位元屢次在實驗室環境中證實了其具備較長的量子相干時間(反映量子儲存資訊時間較長的指標)，並能以高保真度維持量子閘運作，所以這些量子是公認且經過測試、具備現實發展前景的技術；第二，這點對長期可行性來說可能也更為重要，那就是這項潛在技術可與互補式金氧半導體(CMOS)製造技術相容，因此可能可以透過矽基量子點結構所需的先進後段製程內部互連技術，實現晶圓等級的均勻度與良率。 矽基量子點自旋量子位元目前有好幾種，imec目前都在進行研究。此次研究中，量子點自旋量子採用MOS量子點的結構，該結構就像是修正版的電晶體結構，用來捕獲電子或電洞的單一自旋。為提高量子位元的性能，降低電荷雜訊至關重要，因為這種雜訊會影響量子相干性。imec通過精心設計和優化12吋晶圓的製程，成功實現了顯著降低的電荷雜訊。 imec的量子運算研究計畫主持人Kristiaan...

美國國家科學基金會和能源部都在努力，透過建立跨學科研究中心來克服這些制度障礙，希望透過量子技術取得國際技術優勢。面對量子運算開拓的市場機會，台灣的半導體產業鏈，可從低溫元件模型、關鍵零組件、模組開發到系統整合驗證等面向進入量子運算市場。 美國對量子技術的興趣可以追溯到1990年代中期，當時美國國家標準與技術研究院(NIST)、國防部(DOD)和國家科學基金會(NSF)舉辦首次量子技術研討會。 而自國家科學基金會舉辦首屆研討會以來的近25年裡，量子資訊科學取得了巨大的進步。該技術在推動運算能力、安全通訊和科學發現方面，具有重大的潛力。過去美國不乏量子科技業者，但需要政策與資金挹注(圖1)。而目前美國政府意識到量子科技，是能確保國家科技領先其他國家的關鍵技術。 圖1　過去美國不乏量子科技業者，但需要政策與資金挹注 美國政府積極推進量子技術 在政策法規部分，至今與量子相關的最重要的立法是《國家量子倡議法案》(National...

美國國家科學基金會和能源部都在努力，透過建立跨學科研究中心來克服這些制度障礙，希望透過量子技術取得國際技術優勢。面對量子運算開拓的市場機會，台灣的半導體產業鏈，可從低溫元件模型、關鍵零組件、模組開發到系統整合驗證等面向進入量子運算市場。 促進跨學科研究 (承前文)NSF在1999年的研討會上指出，量子研究是深度跨學科的領域，該領域的進步需要具有各種學科專業知識的人們的共同努力，包括數學、電腦科學和資訊理論、理論和實驗物理學、化學、材料科學和工程。開發一個可運行的系統需要量子通訊協定、電腦演算法、硬體設計和實驗物理方面的專業知識。 然而美國的研究機構過去以來並沒有非常有效地進行跨學科邊界的量子研究合作，國會公共政策研究機構國會研究服務處2018...

量子電腦建構領域業者IQM Quantum Computers(IQM)推出量子運算平台IQM Radiance，希望未來能以150量子位元系統為量子優勢時代預先鋪路。IQM Radiance將為企業及政府提供量子運算能力，可部署運用於高效運算和資料中心。 Jan...

為了突破古典電腦在晶片發展的瓶頸，各界已將量子電腦視為下個世代的運算利器，不僅各國大舉投入研發經費、展開量子競賽，包括IBM、Google、微軟(Microsoft)、英特爾(Intel)、亞馬遜(Amazon)等大廠也正積極布局。 目前量子電腦較為主流的三種技術，第一種是以超導體作為基礎的量子位元，包括IBM、Google、Rigetti...