硬體導論

A. 量子處理器(QPUs)/量子位元(Qubits)

1.基本概念與重要性

量子位元(Qubit)是量子計算的基本運算單元，構成了量子處理器的核心。 與古典位元只能表示0或1不同，量子位元利用微觀粒子的量子態(例如原子的能階、電子的自旋，或在超導電路中的特定量子化狀態)來編碼資訊。超導量子位元通常利用電路的兩個最低能量狀態,即基態(\( \ket{0} \))和第一激發態(\( \ket{1} \))¹。

量子位元的關鍵特性在於其能夠處於疊加態,即同時是\( \ket{0} \)和\( \ket{1} \)的線性組合(|ψ⟩=α₀\( \ket{0} \)+α₁\( \ket{1} \),其中|α₀|²+|α₁|²=1)¹。此外,多個量子位元之間可以建立糾纏關係,形成一個不可分割的整體³。這些量子特性使得量子計算機具備潛在的並行處理能力。例如，N個量子位元可以同時表示 2^N 個狀態，使得量子計算機在處理某些特定問題時,其計算能力隨量子位元數量呈指數級增長，遠超古典計算機。

在超導量子位元中,約瑟夫森結(Josephson Junction, JJ)扮演著至關重要的角色。JJ本質上是一個由兩個超導體通過一個薄絕緣層(通常是氧化鋁)隔開形成的隧道結¹。它表現出非線性的、無損耗的電感特性,這是構建具有不等能級間距(非諧性)的人造原子的關鍵,從而可以將計算限制在最低的兩個能級(\( \ket{0} \)和\( \ket{1} \))之間,避免信息洩漏到更高能級²。

2.超導量子位元類型與原理

基於不同的電路設計和利用的物理量(電荷、磁通量或相位),已發展出多種類型的超導量子位元。它們的設計目標通常是在提高相干時間、保真度、可控性和可擴展性之間尋求平衡。主要類型包括:

• 電荷量子位元(Charge Qubit / Cooper Pair Box): 這是最早實現的超導量子位元之一²。其原理是控制一個小型超導島上的庫柏對(Cooper pairs) 數量。量子態對應於島上整數個庫柏對的狀態。其約瑟夫森能量(E_J)與充電能量(E_C)的比值 E_J/E_C 通常較小(約為10^-1)²。這種類型的量子位元對電荷雜訊非常敏感,導致相干時間較短。
• 磁通量量子位元(Flux Qubit / Persistent-Current Qubit): 其核心是一個包含一個或多個JJ的超導環路。量子態對應於環路中陷俘的磁通量子的整數倍²。其E_J/E_C 比值通常較大(約為10¹)²。相較於電荷量子位元,它對電荷雜訊不敏感,但對磁通量雜訊敏感。
• 相位量子位元(Phase Qubit): 在這種設計中,E_J/E_C比值非常大(約為10⁶)²。量子態對應於JJ 兩端相位差的不同振盪幅度。
• Transmon (Transmission Line Shunted Plasma Oscillation Qubit): 這是電荷量子位元的一種重要改進型,通過引入一個大的並聯電容來顯著增大E_C,從而使得E_J/E_C 遠大於1(通常在 50-100 範圍)。這極大地抑制了對電荷雜訊的敏感性,顯著提高了相干時間,同時保持了足夠的非諧性以便進行量子操作²。Transmon 已成為目前最廣泛應用和研究的超導量子位元類型之一,被IBM、Google、SpinQ 等多家公司和研究機構採用¹。
• Fluxonium: 這是磁通量量子位元的一種變體。其核心是一個JJ與一個大的線性電感(通常由一系列 JJ 串聯構成的超電感 Superinductor 實現)並聯²。Fluxonium的一個重要優勢是在特定的磁通偏置點(如半磁通量子點)具有非常長的相干時間(可超過毫秒),並且具有很大的非諧性,有利於實現快速、高保真度的量子閘操作,並減少頻譜擁擠問題,提升可擴展性²。
• 其他混合類型: 還存在如Xmon (Google 開發的 Transmon 變體)、Quantronium 等其他設計,它們試圖結合不同類型量子位元的優點或針對特定應用進行優化²。

不同類型的量子位元在相干時間、控制複雜度、對雜訊的敏感性、可擴展性等方面各有優劣。選擇哪種類型取決於具體的應用需求和技術成熟度。

3.材料與製造考量

超導量子位元的性能高度依賴於所使用的材料及其製造工藝的質量。

• 常用材料:
  • 超導體: 鋁(Al)是最常用的材料之一,因其易於在表面自然氧化形成均勻、薄的氧化鋁(AlO_x)層,該氧化層恰好可以作為JJ的隧道勢壘¹。鈮(Nb)也是常用的超導材料,具有較高的臨界溫度¹。氮化鈦(TiN)因其高動能電感(有利於縮小元件尺寸)、與CMOS 工藝的兼容性以及潛在的低介電損耗界面而受到越來越多的關注²⁰。氮化鈮 (NbN)也被用於全氮化物量子位元的研究²¹。
  • 基板: 高阻值的矽(Si)是最常用的基板材料,因其具有成熟的加工工藝和低微波損耗²⁰。藍寶石(Sapphire, Al₂O₃)也因其極低的介電損耗而被研究作為替代基板²⁴。
  • 介電層: 在多層結構或電容設計中可能需要介電層,需要選擇低損耗材料。
• 製造技術與挑戰: 超導量子晶片的製造通常借鑒半導體工業的成熟工藝,但需針對量子元件的特殊需求進行調整⁷。
  • 工藝流程: 主要涉及薄膜沉積(Deposition)、微影曝光(Lithography) 和蝕刻(Etching)等步驟¹⁹。沉積方法包括物理氣相沉積(PVD,如濺射 Sputtering、蒸鍍 Evaporation)²⁰、化學氣相沉積(CVD)和原子層沉積(ALD)¹¹。微影技術從傳統的光學微影到用於定義亞微米JJ的電子束微影(E-beam lithography)²⁵。蝕刻技術主要是反應離子蝕刻(RIE)²⁰。
  • Josephson 接面製造: JJ的精確製造是核心挑戰。
    • 雙角度蒸鍍(Double-Angle Shadow Evaporation): 這是實驗室中最常用的製作 Al/AlO_x/Al JJ的技術¹⁹。它利用懸掛的橋式光阻結構,通過兩次不同角度的鋁蒸鍍和一次原位氧化步驟,在單次真空循環和光阻圖形中完成 JJ的製作。優點是工藝相對簡單,易於獲得小尺寸接面。缺點是難以實現大規模、高均勻性的生產,且光阻殘留和剝離(Lift-off)過程可能引入缺陷和污染¹⁹。
    • 無剝離(Lift-off-free)/減法工藝: 為了更好地兼容工業界標準的晶圓級製造,研究人員正在開發不依賴光阻剝離的JJ製造方法。
      • 窗口接面(Window Junction, WJ): 利用沉積的二氧化矽(SiO₂)作為犧牲支架,通過蝕刻在 SiO₂ 中形成精確尺寸的窗口來定義 JJ 區域。沉積基底電極、氧化形成隧道結、沉積頂部電極後,最後通過氣相氟化氫(vHF)等方法選擇性地移除 SiO₂支架,留下懸空的JJ結構¹⁹。這種方法避免了剝離過程,減少了聚合物殘留,且SiO₂ 蝕刻是成熟的半導體工藝,有望提高均勻性和良率¹⁹。
      • 全 CMOS 兼容工藝: 僅使用光學微影和反應離子蝕刻技術來圖形化超導層和定義 JJ。已有研究展示了使用這種方法製造的 Transmon 量子位元,其相干時間超過 100 µs,證明了其可行性和大規模生產的潛力²⁵。
    • 重疊接面(Overlap Junction): 分兩步光刻和蒸鍍製作底部和頂部電極。在沉積頂部電極前,使用原位氬離子研磨(Ar milling) 清潔底部電極表面,然後進行氧化形成隧道結²²。這種方法避免了傾斜蒸鍍,更容易實現大面積均勻性,但Ar離子轟擊可能損傷基板和金屬表面,引入缺陷¹⁹。
    • 補丁整合交叉型(Patch-Integrated Cross-Type, PICT): 在單次光刻和真空循環中,通過特殊設計的模板蒸鍍 JJ 電極和用於連接外部電路的超導補丁,簡化了工藝流程²⁶。
  • 表面與界面處理: 超導量子位元的相干時間對材料表面和界面處的缺陷(稱為兩能級系統,Two-Level Systems, TLS)極為敏感¹⁹。TLS 主要來源於非晶態氧化物、加工過程中引入的損傷或污染物、光阻殘留等。因此,整個製造過程需要極力避免引入TLS,例如採用潔淨的真空環境、優化蝕刻和清潔步驟、開發低損耗界面材料等¹⁹。

4.發展趨勢分析

超導量子位元的發展呈現出兩個明顯的趨勢。其一,製造工藝正從傳統的實驗室技術向量產兼容的工業化流程演進。早期量子位元的製作高度依賴如雙角度蒸鍍和電子束微影等實驗室技術¹⁹。然而,要實現包含數千乃至數百萬高質量量子位元的容錯量子計算機,就必須藉助現代半導體工業所具備的高良率、高均勻性和高可重複性的製造能力¹⁹。傳統的量子位元製程,特別是基於光阻剝離的JJ製作方法,難以直接整合到標準的CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) 生產線中¹⁹。這一挑戰正驅動著研究人員探索新的材料體系(如與CMOS 工藝更兼容的TiN²⁰) 和創新的製造方法,例如無剝離的窗口接面法¹⁹、完全基於光刻和蝕刻的全 CMOS 流程²⁵以及重疊接面法²²。這些新方法的成功(例如,使用CMOS 方法實現超過100微秒的相干時間²⁵) 預示著超導量子處理器向著可規模化製造邁出了關鍵一步,為利用現有成熟的半導體基礎設施生產量子晶片鋪平了道路。

其二,材料探索正超越傳統的鋁/氧化鋁體系。儘管 Al/AlO_x JJ 因其易於製備而成為當前的主流選擇,但其界面處存在的固有缺陷(TLS)被認為是限制相干時間的主要因素之一¹⁹。提升相干時間對於實現容錯量子計算至關重要¹⁹。因此,研究界正積極探索替代材料,以期找到具有更優異界面特性或更低損耗的組合。例如,氮化鈦(TiN)不僅與CMOS工藝兼容,還具有較高的動能電感(有利於縮小元件尺寸以提高集成度)和潛在的更低界面損耗²⁰。研究人員已經成功演示了基於 TiN/AlN/TiN的JJ和諧振器²⁰,這表明學術界和產業界正在積極尋找克服 Al/AlO_x 局限性的新途徑,儘管這些新材料的性能優化和工藝穩定性仍面臨挑戰。

5.潛在表格

表1:超導量子位元類型比較

類型 (Type)	原理 (Principle)	主要材料 (Key Materials)	優點 (Advantages)	缺點 (Disadvantages)	代表機構/公司 (Representative Institutions/Companies)
Charge Qubit (CPB)	控制島上 Cooper Pair 數量 (EJ/EC <<1)	Al/AlOx/Al	結構簡單	對電荷雜訊敏感,相干時間短	(早期研究)
Flux Qubit	控制環路中磁通量量子數量 (EJ/EC >>1)	Al/AlOx/Al, Nb	對電荷雜訊不敏感	對磁通雜訊敏感,設計較複雜	(早期研究)
Phase Qubit	控制 JJ 相位差振盪幅度 (EJ/EC >>>1)	Al/AlOx/Al, Nb		控制複雜,對雜訊敏感	(早期研究)
Transmon	大並聯電容抑制電荷雜訊 (EJ/EC >>1)	Al/AlOx/Al, Nb, TiN	對電荷雜訊不敏感,相干時間長,控制相對簡單,可擴展性好	對磁通雜訊仍有一定敏感性	IBM, Google, Intel, SpinQ, Rigetti, OQC, Anyon
Fluxonium	JJ 並聯大電感(JJ array)	Al/AlOx/Al, Nb, TiN	相干時間極長(特定偏置點),大非諧性,有利於控制和擴展	製造較複雜(需要超電感),對磁通雜訊敏感	Yale, UMD, Atlantic Quantum
Xmon	Transmon 變體,優化耦合與讀取	Al/AlOx/Al	良好的可控性和讀取保真度	(類似 Transmon)	Google
TiN/AlN based Qubits	使用氮化物材料	TiN, AlN	潛在低損耗界面,高動能電感, CMOS 兼容	材料與工藝仍在優化中	(研究階段)

功能與重要性
量子處理器 (QPU) 是量子電腦的核心，負責實際執行量子運算。超導量子位元通常由鋁或鈮等超導材料製成的電路構成，利用約瑟夫森結等非線性元件來創建人工原子，使其能夠表現出量子力學行為，如疊加和糾纏。這些量子位元代表量子資訊的基本單位，其基態和激發態被定義為邏輯狀態 \( \ket{0} \) 和 \( \ket{1} \)。透過施加精確的微波脈衝，可以操控量子位元的狀態並執行量子閘操作，這是量子演算法的基礎。QPU的設計和性能直接決定了量子電腦的計算能力、速度和可靠性。

超導量子位元的類型
主要的超導量子位元類型包括相位量子位元 (phase qubit)、電荷量子位元 (charge qubit) 和磁通量子位元 (flux qubit)。這些原型也衍生出許多混合類型，如 Fluxonium、Transmon (目前最主流的類型之一，因其對電荷雜訊相對不敏感而受到青睞)、Xmon (Google 使用) 和 Quantronium 等。Transmon 量子位元因其設計相對簡單、相干時間較長且易於耦合，成為許多領先研究團隊和公司的首選。

技術門檻
製造和操作高性能超導QPU面臨眾多挑戰：

• 量子位元品質與一致性：製造具有相同特性的量子位元非常困難，微小製造差異會導致性能變化。
• 擴展性：隨著量子位元數量增加，維持其性能、控制和連接的難度指數上升，造成成本與物理實現困難。
• 相干時間：量子位元易受環境雜訊影響產生退相干，約瑟夫森結品質與基板缺陷為主因。
• 閘保真度：微波脈衝誤差或校準問題會導致邏輯錯誤。
• 串擾：操作一個量子位元可能影響鄰近量子位元。
• 製造變異性：晶片製造誤差會影響量子位元性能，穩定製造約瑟夫森結至關重要。
• 材料科學：需改進材料與基板（如用藍寶石代替矽）並利用蝕刻等製程減少材料缺陷。
• 量子位元參數平衡：須在電荷雜訊免疫與操作非線性間取得平衡。

QPU的發展不僅是量子位元數量的競賽，更關鍵在於品質提升，如相干時間、保真度與抗串擾能力。未來將持續朝優化設計、材料改良與精密製程三者協同演進。

代表性製造商/研究機構與所在國家/地區
全球有多家公司和研究機構在積極開發超導QPU。

• 美國：IBM 和 Google Quantum AI 是該領域的領導者，分別開發了如 Condor (1121 量子位元) 和 Willow (105 量子位元，實現了表面碼糾錯) 等處理器。Intel 也在進行超導量子位元研究，並開發了如 Tangle Lake (49 量子位元) 等測試晶片。Rigetti Computing 是一家專注於製造超導量子處理器的公司，其 Ankaa-9Q-1 晶片價格超過90萬美元。其他美國公司還包括 Bleximo 和 Atlantic Quantum。
• 中國：中國科學院 (CAS) 開發了名為「曉紅」的504量子位元超導處理器。SpinQ (本源量子) 也是中國重要的量子計算公司，提供超導量子晶片和整機解決方案。
• 歐洲：芬蘭的 IQM 和荷蘭的 QuantWare 是歐洲超導QPU開發的代表。QuantWare 提供模組化、可擴展的QPU，例如 Soprano-D 和 Contralto-D。英國的 Oxford Quantum Circuits (OQC) 也推出了其超導處理器，如 Lucy 和 Toshiko。法國的 Alice & Bob 專注於開發超導貓量子位元。
• 加拿大：Nord Quantique 致力於開發具有玻色子糾錯功能的超導量子位元。

部分超導QPU供應商比較

製造商/機構	代表性QPU/技術	國家/地區	QPU特性/近期進展 (截至2024-2025年初資訊)
IBM	Condor, Osprey, Eagle, Heron 系列	美國	Condor (1121 qubits), Heron R2 (156 qubits, 96.5% 2-qubit保真度)
Google Quantum AI	Sycamore, Bristlecone, Willow	美國	Willow (105 qubits, 表面碼糾錯, 1-qubit保真度99.965%, 2-qubit保真度99.67%)
Intel	17-Qubit Test Chip, Tangle Lake	美國	Tangle Lake (49 qubits)
Rigetti Computing	Ankaa 系列	美國	Ankaa-9Q-1 (9 qubits)
中國科學院 (CAS)	曉紅 (Xiaohong)	中國	504 qubits (2024年發布)
SpinQ (本源量子)	多款超導量子晶片	中國	提供從設計、製造到測試的完整QPU開發服務
QuantWare	Soprano-D, Contralto-D	荷蘭	Soprano-D (5 qubits), Contralto-D (21 qubits), 模組化架構
IQM	5-qubit, 20-qubit 系統	芬蘭	20-qubit 系統 (1-qubit保真度中位數99.91%, 2-qubit保真度中位數98.25%)
Oxford Quantum Circuits	Lucy, OQC Toshiko	英國	OQC Toshiko (32 qubits)

量子位元晶片供應商供應商與代工服務

超導量子計算硬體的構建依賴於一個多元化的供應鏈,涵蓋了從基礎材料、核心元件到專用設備的各個環節。特別是對於量子位元晶片這樣的核心部件,專業的代工服務(Foundry Services)正在興起,為更廣泛的研究和開發活動提供了支持。

製造高質量、高性能的超導量子位元晶片需要高度專業化的知識、昂貴的設備和精密的工藝控制。目前市場上存在幾種供應模式：

提供標準 QPU 產品和/或代工服務的公司：

• SpinQ（中國）： SpinQ 不僅提供完整的超導量子計算機系統，還提供一系列標準化的超導 QPU 產品（如 C2、C5、C10、C20 型號，具有 1D 或 2D 拓撲結構），並利用其自有的 QPU 製造中心提供定制化的量子晶片設計、代工製造和表徵測試服務。他們強調其晶片達到工業級標準，具有高 Qi 值和長相干時間（T1 可達 100 µs 或更長）。
• QuantWare（荷蘭）： 專注於提供超導量子處理器的代工服務。他們基於其 VIO（Vertical Integrated Organisation）平台，提供從設計支持、快速製造（聲稱設計凍結後交付時間 <45 天）到封裝（提供 Soprano、Contralto、VIO-176 等不同規模的封裝選項）的服務。他們強調其工藝能夠實現高結點良率（<3% targeting spread）和長相干時間（>100 µs Transmon T1）。
• Rigetti Computing（美國）： Rigetti 運營著其位於加州 Fremont 的 Fab-1，這是世界上最早的專用量子器件代工廠之一。他們利用該設施為內部處理器開發提供支持，同時也面向更廣泛的量子研究社區提供量子集成電路（QuIC）測試器件的銷售和定制設計代工服務。他們提供經過工廠校準和低溫表徵的器件。
• SkyWater Technology（美國）： 作為一家美國本土的、經認證的半導體代工廠，SkyWater 將其業務擴展到超導技術領域。他們採用 TaaS（Technology as a Service）模式，為量子器件開發者提供定制化的代工服務，支持超導量子位元、處理器和低溫控制電子的開發與製造。他們是 D-Wave 量子退火計算機中量子位元的商業製造商。
• SEEQC（美國／英國）： SEEQC 擁有一座先進的多層超導電子晶片製造工廠，主要用於生產其核心的 SFQ（Single Flux Quantum）數字邏輯電路和 SFQuClass 處理器，這些處理器旨在實現數字化的量子位元控制、讀取和經典協處理，並與量子位元晶片集成在低溫環境中。雖然主要服務於內部需求，但其先進的製造能力也可能使其能夠提供相關的代工服務。

大型集成商的內部能力： 像 IBM、Google、Intel 這樣的大型科技公司，通常投入巨資建立了自己的量子器件製造能力，或者與特定的半導體製造商建立了緊密的合作關係，以確保其核心 QPU 的供應和持續迭代。這些內部能力通常不對外提供商業代工服務。

這個供應鏈仍在不斷發展和完善中，新的參與者和技術也在持續湧現。

C.發展趨勢分析

零部件供應和代工服務領域的發展揭示了超導量子計算生態系統的演變。一個顯著的趨勢是專業化量子晶片代工廠的興起。建造和運營一個能夠生產高性能超導量子位元的先進製造設施是一項資本密集且技術要求極高的任務。對於許多大學研究團隊、初創公司乃至一些中等規模的企業而言，獨立承擔這樣的投入是不現實的。專業代工廠（如 SpinQ、QuantWare、Rigetti、SkyWater、SEEQC 等）的出現，通過提供標準化的製造流程和設計服務，有效地填補了這一空白。它們使得沒有內部製造能力的機構也能夠獲取或定製先進的量子晶片，從而降低了進入量子硬體研發的門檻，加速了新設計、新材料和新架構的驗證與迭代。這種代工模式的發展，在一定程度上借鑒了經典半導體產業的成功經驗，標誌著量子硬體生態系統正在走向成熟和產業化分工。

另一個趨勢是供應鏈內部的合作日益加強。構建一個功能完整的量子計算機需要整合來自不同技術領域的專業知識和產品，從量子位元物理到低溫工程，再到微波控制和軟體開發。沒有任何一家公司能夠在所有這些方面都達到頂尖水平。因此，供應商之間以及供應商與系統集成商之間的戰略合作變得越來越普遍。例如，低溫設備製造商 ULVAC 與系統集成商 IBM 合作開發滿足特定需求的稀釋製冷機；代工廠 SkyWater 為量子計算公司 D-Wave 生產量子位元；低溫系統領導者 Bluefors 與控制系統專家 Quantum Machines 合作提供預先集成了高性能樣品架的 turnkey 解決方案；控制系統供應商 Quantum Machines 與 QPU 開發商 Rigetti 及高性能計算巨頭 NVIDIA 合作，共同探索 AI 驅動的自動化校準。這些合作使得各方能夠專注於自身的核心優勢，同時通過協同設計和集成優化，為最終用戶提供更完整、性能更優或更易於使用的解決方案，共同推動整個量子計算技術的進步。

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