核心硬體組件
超導量子電腦的硬體系統是一個複雜的集成，各個組件協同工作以實現量子運算。下表首先概述了核心硬體組件及其關鍵特性。
表1：核心硬體組件概覽
| 組件名稱 | 主要功能 | 代表性廠商/機構 | 主要技術門檻 |
|---|---|---|---|
| 量子處理器 (QPU) | 執行量子運算；包含實體量子位元 | IBM, Google Quantum AI, Intel, Rigetti Computing, SpinQ, QuantWare, 中國科學院 (CAS) | 量子位元品質與一致性、擴展性、相干時間、閘保真度、製造變異性、串擾 |
| 低溫系統 (稀釋製冷機) | 提供QPU所需的mK等級的極低溫環境，維持量子位元的超導態與相干性 | Bluefors, Oxford Instruments, ULVAC, Leiden Cryogenics | 冷卻功率、尺寸與成本、可擴展性、震動隔離、熱負載管理、與控制電子整合 |
| 控制電子系統 | 產生並傳送精確的微波脈衝以操控量子位元的狀態，執行量子閘操作 | Tabor Quantum Solutions, Zurich Instruments, Quantum Machines, Keysight, Rohde & Schwarz, Intel (Cryo-CMOS) | 脈衝精度與同步、可擴展性、低延遲、低雜訊、低溫整合 (Cryo-CMOS) |
| 微波元件 | 測量量子位元的最終狀態以獲取運算結果；通常涉及量子放大器 | QuantWare (TWPA), Yale University (JPA 研究), Fermilab (低成本系統研究) | 測量保真度、速度、多路復用能力、量子極限放大、串擾、破壞性測量 |
| 低溫佈線與互連 | 在室溫控制電子與低溫QPU之間傳輸控制和讀出訊號，同時最小化熱洩漏 | Delft Circuits (Cri/oFlex®), CryoCoax (Intelliconnect) | 熱導率、訊號完整性、可擴展性 (密度)、機械可靠性 (熱循環)、阻抗匹配 |
超導量子電腦主要部件與廠商選項
| 部件名稱 | 功能簡介 | 代表性廠商 | 技術門檻 |
|---|---|---|---|
| 稀釋制冷機 | 提供 ≈10 mK 的超低溫環境，維持超導量子位元的相干與運作。 | 高 – 低溫技術與長週期製造能力僅少數廠商具備，難以自製。 | |
| 量子晶片（超導量子處理器） | 核心「CPU」，包含量子位元與耦合電路，決定計算能力與保真度。 | 高 – 需奈米製程與超導薄膜技術，技術壁壘極高。 | |
| 微波／脈衝產生器 (含任意波形發生器) |
產生 4–8 GHz 微波脈衝，精準控制量子位元閘操作。 | 中 – 高頻電子成熟，但需低相噪與多通道同步。 | |
| 讀出與測量設備 | 解調並量化量子位元輸出信號，判定 \( \ket{0} \) / \( \ket{1} \) 狀態。 | 中 – 需高速數位化與即時信號處理。 | |
| 低溫低雜訊放大器 (HEMT) |
安裝於 4 K 級，用於低雜訊放大微波讀出信號。 | 高 – 量子極限雜訊性能製造難度大，全球供應有限。 | |
| 超導參量放大器 (JPA / JTWPA) |
工作於 10 mK，提供量子極限前置放大，提高讀出 SNR。 |
|
高 – 設計與調試複雜，商用供應剛起步。 |
| 微波無源元件 (衰減器、隔離器、循環器) |
控制信號路徑並隔離回波雜訊，保護量子位元免受干擾。 |
|
中 – 標準微波技術，需低溫兼容設計。 |
| 低溫連接與封裝 (線纜、連接器、樣品盒) |
將信號引入量子晶片並屏蔽雜訊，支持高密度布線。 | 中 – 以工程整合為主，需考慮串擾與散熱。 |
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王培儒