超導量子電腦架構

教材深挖 1：微波元件解說

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前一節針對量子電腦稀釋制冷機內部的部件做一個簡單的綜覽，接下來我們針對微波元件，詳細解說各部件的功能。

關鍵組件與技術

微波元件作為橋接外部儀器控制訊號送往QPU，同時也要負擔將運算後的訊號經過放大橫送回到儀器中，會包含以下元件：

• 諧振器 (Resonators)： 每個超導量子位元通常耦合到一個微波諧振器。量子位元的狀態會影響諧振器的共振頻率或相位，透過探測諧振器的響應可以推斷出量子位元的狀態。
• 量子放大器 (Quantum Amplifiers)： 來自諧振器的讀出訊號非常微弱，需要接近量子極限的低雜訊放大器進行放大，才能被後續的古典電子設備檢測到。
  • 約瑟夫森參量放大器 (Josephson Parametric Amplifiers, JPAs)： 利用約瑟夫森結的非線性特性實現微波訊號的低雜訊放大。JPAs可以工作在相位敏感模式（放大單個正交分量而不增加雜訊）或相位保持模式。它們通常具有較窄的帶寬，但可以實現高增益。
  • 行波參量放大器 (Traveling Wave Parametric Amplifiers, TWPAs)： 例如QuantWare的Crescendo-S，是一種基於約瑟夫森結鏈的行波放大器，能夠在較寬的頻寬內提供高增益和接近量子極限的雜訊性能，非常適合多路復用讀出。與JPA不同，TWPA是透射式而非諧振式器件，因此帶寬不受諧振器限制。
• 低雜訊半導體放大器 (Low-Noise Amplifier, LNA)： 通常放置在低溫系統的較高溫級（如4K級），用於進一步放大來自量子放大器的訊號。
• HEMT (High Electron Mobility Transistor, 高電子遷移率電晶體)： 由於其獨特的物理結構（利用二維電子氣），HEMT 內的電子能夠高速移動且碰撞機率低。這個「高電子遷移率」的特性，直接轉換為極低的雜訊和優異的高頻性能。
• 混頻器、濾波器和ADC： 用於將放大的微波訊號下變頻到中頻，濾除雜訊，然後由ADC轉換為數位訊號進行處理。

接下來我們將搭配電路圖，詳細解說各部件的功能。

▲透過電路功能圖對照硬體，可進一步了解量子電腦中硬體元件的配置。
(a) 安裝有 25 條驅動線（drive lines）、25 條磁通線（flux lines）、4 條讀出線（read-out）、6 條讀入線（read-in），以及 5 條泵浦線（pump lines）的 Bluefors XLD 型稀釋制冷機。
(b) 稀釋制冷機內部電纜配置的示意圖。我們藉由下方表格來解說各個元件及端口的功能：

▲在制冷機最底端、也是最冷的部分，稱為混合室（Mixing Chamber，MXC）。此區的溫度維持在10mK以下，以操作超導量子電路。 (a) 安裝於 MXC 板上的元件：來自量子處理器的讀出訊號首先經過右側的第一組四通道磁屏蔽隔離器陣列，再通過定向耦合器、行波參數放大器（TWPA），以及左側的第二組相同的隔離器陣列。 (b) 安裝於 4K 板上的四顆 HEMT 放大器。 (c)下方為帶通濾波器安裝（搭配熱沉）於 MXC 板上，上方為安裝於冷板(100mK區段)上的四個循環器。
Ref: Engineering cryogenic setups for 100-qubit scale superconducting circuit systems, DOI:10.1140/epjqt/s40507-019-0072-0

技術門檻

讀出系統的發展與QPU和控制系統的發展緊密相連。實現高保真度、快速且可擴展的讀出是實用量子計算的關鍵。TWPA等寬帶量子放大器的出現，為解決大規模量子位元系統的多路復用讀出問題提供了有希望的途徑。

教材深挖 2：控制電子系統

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控制電子系統負責將演算法指令轉換為施加到量子位元上的物理訊號。對於超導量子位元，這通常涉及產生具有特定頻率、幅度、相位和持續時間的微波脈衝。這些脈衝的精度極高，通常達到奈秒甚至更短的時間尺度。控制系統還必須能夠同步操作多個量子位元，並可能包含即時反饋和校準算法。一個高效的量子控制系統必須滿足以下多個嚴苛的需求： 操控量子態: 產生精確定時、定形、定幅和定相的微波脈衝信號。這些脈衝作用於量子位元，驅動其在布洛赫球(Bloch sphere)上進行旋轉，從而實現量子態的初始化、疊加態製備、量子邏輯閘操作(如單量子位元旋轉閘 Hadamard， X， Y， Z 和兩量子位元糾纏閘 CNOT， CZ)以及執行完整的量子算法序列。 讀出量子態: 量子計算結束時，需要測量每個量子位元的最終狀態(是\( \ket{0} \)還是\( \ket{1} \))。這通常通過向與量子位元耦合的讀出諧振腔發送一個探測微波脈衝，並測量透射或反射信號的相位和幅度變化來實現。由於讀取信號非常微弱(單光子量級)，需要低雜訊放大器將其放大到可檢測水平，然後由電子設備進行採集和數字化處理。 低延遲與實時反饋 (Low Latency & Real-time Feedback): 許多先進的量子協議，如量子糾錯 (QEC)、動態校準 (dynamic calibration) 和主動重置 (active reset)，都極度依賴此能力。控制系統必須具備根據中間測量結果，在極短的延遲內（通常為數百奈秒）完成古典計算，並即時調整後續的脈衝序列或發出反饋操作。整個反饋迴路必須在量子位元的相干時間內完成，以有效修正錯誤或補償系統漂移，這對控制系統的處理速度和反應能力提出了嚴格要求。 多通道同步 (Multi-channel Synchronization): 一個大型量子處理器包含數十至數百個量子位元，所有的多量子位元操作都依賴於各個控制和讀取通道之間的高度協調。因此，控制系統必須能夠精確地同步生成與採集所有通道的訊號，確保所有操作的一致性與時序準確性。 可擴展性 (Scalability): 隨著量子位元數量增加，所需的控制通道數量也隨之劇增，這對控制系統的物理尺寸、成本和整體複雜性都提出了巨大挑戰。一個理想的控制系統架構，必須能夠支持平滑擴展 (smooth scaling)，以適應未來更大規模量子處理器的需求，而不會導致成本或系統管理的複雜度呈指數級增長。 高精度與穩定性 (High Precision and Stability): 所有施加在量子位元上的控制脈衝，其各項參數——包含波形 (shape)、時序 (timing)、頻率 (frequency)、幅度 (amplitude) 與相位 (phase)——都必須極其精確且穩定。任何微小的偏差都可能導致量子操作的錯誤累積，從而降低量子閘的保真度。其中，時間精度通常要求達到奈秒 (ns) 甚至皮秒 (ps) 的等級。此外，不同通道間的脈衝也必須高度同步，以確保多量子位元操作的準確性。 頻寬： 需要足夠的頻寬來產生快速的脈衝邊緣和複雜的波形。 低雜訊： 控制訊號中的雜訊會直接影響量子位元的相干性和操作保真度。 低溫整合（Cryo-CMOS）： 將部分控制電子（特別是靠近QPU的部分）整合到低溫環境中，可以顯著減少從室溫到QPU的佈線數量，降低熱負載，並減少訊號延遲和失真。然而，在極低溫下設計和運行複雜的CMOS電路本身就是一個巨大的技術挑戰，包括元件性能變化、功耗管理和散熱等。 軟體整合與校準： 控制硬體需要與高層軟體緊密整合，並需要複雜的自動化校準程序來優化脈衝參數並補償硬體缺陷。 控制電子系統正從使用通用實驗室儀器向專用化、整合化和低溫化方向發展。Cryo-CMOS技術被認為是解決大規模量子電腦控制瓶頸的關鍵途徑之一，它有望將控制功能更靠近量子位元，從而提高性能並降低系統複雜性。然而，這也意味著控制系統的設計必須與QPU和低溫系統的設計更加緊密地耦合。 為了滿足上述需求，現代量子控制系統通常整合了以下關鍵硬體： 任意波形產生器(Arbitrary Waveform Generators， AWGs): 這是產生控制脈衝的核心。高性能 AWG 能夠以極高的時間分辨率(取樣率達 GSa/s)和幅度分辨率(如16位)生成使用者定義的任意複雜波形。通常具有多個輸出通道，並支持觸發和序列播放功能。這些波形經過上變頻後驅動量子位元。AWG透過優化時間波形，可以解決相干控制、量子糾纏操控等應用中的技術問題。 FPGA(Field-Programmable Gate Arrays， 現場可程式化邏輯閘陣列): FPGA 是實現實時控制邏輯的關鍵。它們被編程來執行高速的脈衝序列生成、參數計算、條件分支、觸發管理、數據採集與處理、以及與其他儀器的同步。 因其可重構性、並行處理、和低延遲特性，使其非常適合量子控制的實時性要求。 FPGA在量子計算中用於接口和控制硬體，執行量子糾錯、量子位元控制和數據處理等複雜任務。它們在混合量子-古典計算系統中尤其有價值。 數位/類比轉換器 (DACs/ADCs): 數位類比轉換器(Digital-to-Analog Converters， DACs): 將FPGA或AWG 輸出的數字波形數據轉換為模擬電壓信號。其分辨率和速度直接影響控制脈衝的精度。 類比數位轉換器(Analog-to-Digital Converters， ADCs): 將來自量子位元的經過放大的模擬讀取信號轉換為數字數據，供FPGA或後續處理單元分析。其取樣率和分辨率決定了讀取速度和精度。 射頻/微波源與混頻器 (RF/Microwave Sources & Mixers)： 產生微波載波訊號，並與AWG輸出的基帶脈衝進行混頻（IQ調製），以產生在量子位元共振頻率上的控制脈衝。 上/下變頻模組 (Up/Down-conversion Modules): 由於AWG 通常產生的是基帶或中頻(IF)信號，需要使用混頻器(Mixers)和電子振盪器(Local Oscillators， LO)將這些信號上變頻(Up-conversion)到量子位元操作所需的千兆赫茲(GHz)微波頻段。 同樣，讀取時需要將來自量子位元的 GHz 信號下變頻(Down-conversion) 到ADC 可以處理的頻率。這些模組的雜訊性能和線性度非常重要。 量子控制電子設備領域正在經歷快速演進，體現出三大關鍵趨勢。 首先，控制系統正從早期依賴通用儀器拼湊組合的方式，轉變為採用專門設計、高度整合的量子控制平台。 在量子計算研究的初期階段，研究人員通常使用市面上可獲得的通用 AWG、DAC/ADC、信號源等儀器來搭建控制系統。 傳統的測試測量儀器公司如 Keysight Technologies、Rohde & Schwarz等也在提供適用於量子研究的高頻 AWG、VNA 和信號分析儀等單個儀器。 然而，隨著量子位元數量的增加和量子算法複雜性的提升，管理和同步大量離散儀器變得極其困難，成為系統擴展和性能提升的瓶頸。 更重要的是，量子計算對控制系統提出了特殊要求，例如超低延遲的實時反饋、複雜的條件邏輯執行以及皮秒級的跨通道同步，這些很難用標準的現成儀器高效實現。 這種需求推動了 Quantum Machines、Qblox、Zurich Instruments、SpinQ 等專業供應商的崛起，他們開發出整合了AWG、數字化儀、FPGA 處理單元以及專用控制軟體和韌體(如QM的QUA 語言 或ZI的LabOne Q框架)的整體解決方案。 這些專用平台大大簡化了實驗室的系統搭建和編程工作，並使執行更複雜、更依賴實時響應的量子協議成為可能。 其次，將實時古典計算能力(通常基於FPGA 或GPU處理器)直接整合到控制迴路中，正變得日益重要，甚至是不可或缺。 這對於實現量子糾錯、動態校準等高級應用尤為關鍵。 量子態極其脆弱，且控制參數會隨時間漂移。量子糾錯方案要求系統能夠快速測量輔助量子位元的狀態(稱為 syndrome)，進行經典的解碼計算以判斷發生了何種錯誤， 然後迅速將對應的修正操作應用到數據量子位元上，整個過程必須在量子位元的相干時間內完成。 同樣，動態校準也需要在實驗過程中實時測量量子位元的參數(如頻率漂移)，並即時調整控制脈衝的參數加以補償。 這些任務都需要在奈秒到微秒的時間尺度內完成大量的古典計算和決策。因此，現代控制系統的核心是強大的 FPGA 或專用處理器，甚至開始探索與 GPU 等高性能計算單元的緊密整合(如NVIDIA DGX Quantum)， 將古典計算能力盡可能地靠近量子硬體，實現低延遲的實時處理。這一趨勢標誌著量子計算正走向一種硬體層面深度融合的混合量子-古典計算架構。 另一個前沿方向是低溫整合 (Cryo-CMOS)，即將部分控制電子整合到低溫環境中，以解決大規模量子電腦的佈線瓶頸，降低熱負載和訊號延遲。 然而，這也意味著控制系統的設計必須與 QPU 和低溫系統的設計更加緊密地耦合。 總體來看，現代量子控制系統的發展趨勢是整合化、模組化和軟體定義化。供應商傾向於提供包含硬體和配套軟體(韌體、API、高級編程框架)的完整解決方案，以簡化系統整合和實驗編程。系統架構越來越強調實時處理能力和低延遲反饋，以支持更高級的量子計算協議和糾錯需求。 供應商 供應商 (Supplier) 系統/主要產品 核心技術 主要特點 (Key Features) 目標應用 Quantum Machines (QM) (以色列) OPX+/OPX1000 Processor-based (HPU/FPGA) 極低的實時反饋延遲(約 224ns)，強大的脈衝級編程語言 QUA，將實時序列生成、測量處理和古典計算緊密集成，易於擴展。 通用量子控制, 量子糾錯(QEC), 實時反饋, AI輔助校準 NVIDIA / QM (美國/以色列) DGX Quantum GPU + QM OPX (Processor-based) 整合高性能古典計算(GPU)與量子控制，實現低延遲的混合量子-古典計算架構。 QEC, AI輔助量子算法/校準, 混合計算 Qblox (荷蘭) Cluster System FPGA-based, Modular 模組化設計，透過高速同步協議(SYNQ/LINQ)確保皮秒級同步；支持高達 18.5 GHz 的直接微波合成，架構易於擴展至數百量子位元。 超導、自旋、NV色心等各類量子位元的控制與讀取 Zurich Instruments (ZI) (瑞士) QCCS (HDAWG, UHFQA, PQSC) FPGA-based, Multi-instrument 提供完整儀器套件，具高通道密度、低觸發延遲(<50ns)，以及強大的 LabOne Q Python 框架，實現多儀器精密同步。 通用量子控制, 核磁共振(NMR/EPR), 半導體測試 SpinQ (本源量子) (中國) SPINQ QCM System FPGA-based, Modular 支持4-8 GHz頻段，提供開放API和自動化校準軟體，旨在提供高性價比的解決方案。 超導量子位元控制、測量與校準 Keysight (美國) AWGs, VNAs, Signal Analyzers 通用儀器技術 提供高性能、高精度的單項測試與測量儀器。 基礎量子研究, 元件特性分析 Rohde & Schwarz (德國) Signal Generators, Analyzers 通用儀器技術 提供各類可用於量子控制與訊號分析的相關測試與測量設備。 基礎量子研究, 元件特性分析 供應商與產品範例 產品圖例 (圖片皆取自官網) Quantum Machines OPX1000 NVIDIA Grace Hopper Qblox Zurich Instruments Keysight

教材深挖 3：微波元件廠商-TWPA

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行波參數放大器 (TWPA)，特別是基於約瑟夫森結的 TWPA (J-TWPA)，因其接近量子極限的雜訊性能和寬廣的頻寬，在量子運算領域中對於量子位元的低雜訊讀取至關重要。此市場目前主要由專業的新創公司和研究密集型企業主導。必須明確區分用於量子應用的 J-TWPA 與傳統的行波管 (TWT)，後者基於完全不同的物理原理和應用領域。

3.1 量子應用 TWPA 的主要參與者與創新者

這些企業處於為超導量子電腦開發關鍵放大器的最前沿，其產品專為低溫操作而設計，旨在滿足量子資訊處理的嚴格要求。

主要供應商及其產品特性：

• Silent Waves: 來自法國，成立於 2022 年，專注於基於約瑟夫森結和行波架構的超低雜訊超導放大器¹。其產品包括「The Argo」、「The Carthago」（基於克爾反轉效應，提供 4 GHz 頻寬和超過 18 dB 的增益）以及「The Dreadnought」（即插即用解決方案）¹。該公司強調其產品在高保真度和量子運算可擴展性方面的優勢。Quantum Microwave 為其北美地區（美國和加拿大）的分銷商¹。
• QuantWare: 來自荷蘭，成立於 2020/2021 年，提供「Crescendo-S」J-TWPA，專為量子位元讀取而設計²。該產品在 S3 型號中具有 1 GHz 頻寬內 20 dB 的增益，採用緊湊的 HEMT 尺寸外形，並為可擴展性和易用性進行了優化，支持大批量生產²。
• QET Sweden (Quantum Electronics Technology AB): 脫胎於瑞典查爾姆斯理工大學，於 2024 年與 SCALINQ 合作推出了「QET Vidar TWPA」（S 型和 D 型）³²。這些放大器提供 4 GHz 的不間斷增益頻寬，並採用了專利的多 TWPA 集成技術³⁵。
• QphoX: 位於荷蘭，成立於 2021 年，致力於開發量子數據機設備，其旗艦產品為 AI-TWPA-C，這是一款用於 C 波段 (4-8 GHz) 量子位元讀取的近量子極限放大器⁵。該公司專注於量子網路技術⁵。
• Low Noise Factory (LNF): 雖然以低雜訊放大器 (LNA) 聞名，但其在低溫放大器領域的專業知識具有相關性。該公司是 Quantum Microwave 的合作夥伴，後者分銷 TWPA⁷。
• SCALINQ: 量子運算硬體供應商，與 QET Sweden 合作提供 Vidar TWPA³²。SCALINQ 本身也是一家量子新創公司³⁸。

3.2 與傳統行波管 (TWT) 的區別

傳統的行波管 (TWT) 製造商，如 Stellant Systems、Communications & Power Industries、Leonardo DRS、NEC、PHOTONIS 和 Teledyne e2v 等，其產品主要應用於雷達、電子戰和衛星通訊等領域³⁹。這些 TWT 通常在較高功率水平下工作，並基於真空電子學原理，與 J-TWPA 所採用的超導電路技術截然不同。因此，傳統 TWT 製造商通常不供應量子運算所需的 J-TWPA。

J-TWPA 技術涉及尖端的超導電路製造和約瑟夫森結物理學，這些領域通常由學術研究實驗室及其衍生公司引領。Silent Waves、QuantWare、QET Sweden 和 QphoX 均符合此特徵¹。這些公司產品的快速創新周期和性能提升是該領域的顯著特點，反映了在實現量子優勢方面的激烈競爭。更寬的頻寬、更高的飽和功率以及更便捷的集成是主要的發展方向¹。

對於量子應用的 TWPA 採購，意味著需要直接與這些專業的、通常較新的公司接洽。這些新創公司提供的「現成」J-TWPA 產品（例如 QuantWare 的 Crescendo-S²）是該領域的一大進展，降低了量子硬體開發的門檻。

• 低溫放大器 (Cryogenic Amplifiers): 安裝在稀釋製冷機的低溫級，用於放大微弱的量子訊號。常用的有放置在 4K 級的**高電子遷移率晶體管 (HEMT)**，以及放置在 mK 級、能提供接近量子極限雜訊性能的**參量放大器 (JPA / TWPA)**。
• 放大器 (Amplifiers)： 放大控制訊號以達到驅動量子位元所需的功率水平。
• 低溫放大器 (Cryogenic Amplifiers): 為了放大極其微弱的量子位元讀取信號(通常只有幾個光子)，同時盡可能少地引入額外雜訊(接近量子極限)，需要在稀釋製冷機的低溫級(通常是4K級和/或mK級)安裝特殊的低雜訊放大器。常用的包括:
  • 高電子遷移率晶體管放大器(High-Electron-Mobility Transistor， HEMT): 通常放置在4K級，提供較高的增益和相對較低的雜訊溫度。
  • 參量放大器 (Parametric Amplifiers): 如約瑟夫森參量放大器(JPA)或行波參量放大器(Traveling Wave Parametric Amplifier， TWPA)，可以放置在mK級，非常接近量子晶片，能夠提供接近量子極限的雜訊性能和高增益帶寬。

高電子遷移率電晶體 (HEMT) 是構成低雜訊放大器 (LNA) 的核心組件，在射頻/微波系統中扮演關鍵角色，尤其在需要極低雜訊性能的低溫應用（如量子運算中的讀取鏈路）中不可或缺。本節將涵蓋氮化鎵 (GaN) 和砷化鎵 (GaAs) 等主要 HEMT 技術的製造商，並區分大型成熟半導體公司/晶圓代工廠與小型專業 HEMT 供應商或磊晶片供應商。

4.1 主要半導體公司和晶圓代工廠 (GaN, GaAs)

這些大型企業通常擁有廣泛的製造能力，提供多樣化的 HEMT 產品，應用於高功率和高頻領域，部分廠商也開始關注航太和高可靠性市場。

主要供應商包括：

• Qorvo: 提供廣泛的 GaN HEMT 和 GaAs pHEMT 產品組合，強調高效率、功率密度和可靠性，是 GaN 技術的領導者之一 ⁴¹。
• Infineon Technologies: 提供基於其 CoolGaN™ 技術的 HEMT (GaN-on-Si)，應用於伺服器電源、電信等，並推出了用於太空的抗輻射 GaN HEMT ⁴³。
• Sumitomo Electric Device Innovations, Inc. (SEDI): 利用化合物半導體 (GaAs, InP, GaN) 開發和製造用於光學和無線通訊的組件 ⁴⁴。
• NXP Semiconductors: 全球領先的高性能混合訊號半導體解決方案供應商，提供用於無線通訊、汽車雷達等應用的 HEMT 產品 ⁴³。
• STMicroelectronics: 領先的半導體製造商，生產用於電信、航空航太、國防和消費電子的 HEMT ⁴³。
• ROHM Semiconductor: 提供 EcoGaN™ HEMT 組件，包括 650V GaN HEMT，專注於電源系統 ⁴³。
• 其他主要參與者還包括 Mitsubishi Electric Corporation、Intel Corporation、Texas Instruments、Renesas Electronics、Wolfspeed (前身為 Cree)、MACOM Technology Solutions Holdings, Inc.、Analog Devices, Inc.，以及 Teledyne e2v HiRel Electronics (提供太空級 GaN HEMT) ⁴²。

4.2 專業 HEMT 晶圓代工廠、磊晶片供應商及新興公司

此類別包括提供 HEMT 製造基礎材料（磊晶片）、客製化 HEMT 設計代工服務，以及開發新型 HEMT 架構的新創公司。

主要供應商和服務：

• Intelligent Epitaxy Technology, Inc. (IntelliEPI): 領先的 III-V 族磊晶代工廠，採用分子束磊晶 (MBE) 技術生產 GaAs pHEMT、InP HBT 等磊晶片。近期獲得美國 CHIPS 法案資金支持，以擴大其在 InP、GaAs、GaSb 和 GaN 化合物半導體磊晶片方面的產能 ⁵⁰。該公司自 1999 年成立以來即為磊晶代工領域的成熟企業，CHIPS 法案的資助凸顯其在專業領域的戰略地位。
• MSE Supplies: 供應各種基板（矽、藍寶石、碳化矽）上的 GaN 磊晶片，用於射頻和功率應用，直接從工廠銷售 ⁵⁴。該公司成立於 2014 年，更像是一家供應商/分銷商，而非 HEMT 組件的初級製造商 ⁵⁷。
• X-FAB: 純晶圓代工廠，提供 SiC 和 GaN 製程服務，包括在其 8 吋廠進行 GaN-on-Si HEMT 製程，支持客製化組件創建 ⁵⁸。
• Global Communication Semiconductors (GCS): 純化合物半導體晶圓代工廠，提供 GaN/SiC HEMT 製程（0.15um、0.25um、0.4um T-Gate）和多種 GaAs pHEMT 製程，專注於無線和雷達應用的 RFIC/MMIC ⁶⁰。
• Finwave Semiconductor: 成立於 2012 年（前身為 Cambridge Electronics），2022 年更名，是一家開發 GaN-on-Si FinFET 和 E-mode MISHEMT 的新創公司，目標市場為 5G/6G 和行動裝置。與 GlobalFoundries 建立晶圓代工夥伴關係，並透過 RFMW 分銷 ⁶²。這是 HEMT 領域創新型新創公司的明確範例。
• Low Noise Factory (LNF): 雖然以 LNA 聞名，但其核心技術為 InP HEMT，由其內部設計和生產，用於其全球領先的低雜訊低溫放大器 ¹⁵。這使其成為針對利基、高性能低溫應用的專業 HEMT 製造商。
• 其他磊晶片供應商 ⁵⁰: 包括 EPISTROMO LLC (保加利亞，小批量磊晶服務)、ACS (中國，MBE)、Photin sp. Z O.O. (波蘭，MOCVD)、江蘇華興雷射技術 (中國)、IQE Plc (英國，射頻與光電磊晶片)、SCIOCS COMPANY LIMITED (日本，GaN 基板/磊晶片、GaAs 磊晶片)、VIGO System S.A. (波蘭)、Connector Optics LLC (俄羅斯，VCSEL/光電二極體磊晶片)、Seen Semiconductors (波蘭，GaN、InP、GaAs 磊晶片)、以及台灣的穩懋半導體 (Visual Photonics Epitaxy Co Ltd, VPEC，提供 HBT、HEMT、pHEMT、GaN 的磊晶代工)。這些廠商規模從小型服務提供商到大型磊晶代工廠不等。

HEMT 市場呈現雙層結構：大型成熟半導體公司提供廣泛的（通常以功率為主的）GaN 和 GaAs HEMT；而一個更專業的層級則由磊晶片供應商、代工廠和創新型新創公司組成，它們專注於特定材料、製程或新穎的組件結構。例如，LNF 的 InP HEMT 專為實現最低雜訊的低溫 LNA 而設計。

GaN-on-Si 技術因其成本效益和可擴展性而成為 HEMT 生產的重要趨勢，Finwave ⁶³ 和 X-FAB ⁵⁸ 等公司均專注於此。這種技術旨在結合 GaN 的卓越性能與矽成熟的製造工藝。對更高頻率 (5G/6G、雷達) 和更高功率效率的需求，正驅動著 HEMT 技術的創新，催生了新材料、新組件架構（如 Finwave 的 GaN FinFET ⁶³）以及專業的代工服務。

對於標準 HEMT 需求，大型供應商提供穩健的解決方案。然而，對於尖端或高度專業化的需求（例如最低雜訊的低溫 LNA、新穎的組件結構），則需要與專業代工廠、磊晶片供應商或像 Finwave、LNF 這樣的創新型新創公司合作。美國 CHIPS 法案對 IntelliEPI 的資助 ⁵² 也表明了強化這些關鍵化合物半導體材料國內供應鏈的戰略意圖。

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教材深挖 4：微波元件廠商-隔離器

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隔離器作為一種非互易雙埠組件，允許訊號沿一個方向低損耗傳輸，同時在反方向提供高隔離度，對於保護訊號源、防止反射及降低系統雜訊至關重要。本節將隔離器製造商分為兩大類：提供通用型射頻與微波隔離器的成熟供應商，以及專注於低溫環境和量子運算應用的專業廠商。後者對材料選擇（如無磁性材料）和極低溫（mK 等級）下的性能有著更為嚴苛的要求。

2.1 成熟射頻/微波隔離器供應商

眾多成熟企業提供廣泛的射頻與微波隔離器產品，適用於室溫下的多種應用。這些公司通常擁有豐富的產品線，涵蓋同軸、插入式、微帶和表面黏著等不同類型，滿足不同頻段和功率等級的需求，主要應用於電信、國防和航空航太領域。

主要供應商包括：

• DiTom Microwave: 提供多種隔離器產品⁶。
• Honeywell Aerospace (或 Honeywell): 產品線廣泛，應用於航空航太領域⁶。
• Renaissance Electronics Corporation: 提供多種隔離器選項⁶。
• Smiths Interconnect: 產品涵蓋多種配置⁶。
• Exens Solutions: 位於法國的供應商⁶。
• Nova Microwave: 專門設計和製造射頻循環器和隔離器，頻率範圍從 380 MHz 到 26.5 GHz，適用於商業、軍事、蜂巢式和無線電信應用⁷。該公司隸屬於 Electro Technik Industries⁸。
• M2 Global Technology: 提供廣泛的隔離器產品組合，是國防、航空航太和電信行業的供應商⁷。
• Cernex Inc: 提供包括隔離器在內的鐵氧體產品⁷。
• 其他知名供應商還包括 3Rwave、ADMOTECH、A-Info、JQL Electronics、MECA、Mercury Systems、Pasternack Enterprises、Qorvo、Skyworks Solutions、TDK、Teledyne Microwave Solutions 及 UTE Microwave 等⁷。

2.2 新創及利基專業廠商 (低溫/量子應用)

針對量子運算等需要在極低溫環境下運作的應用，對隔離器的要求遠超傳統產品。這些特殊需求催生了一批專注於低溫隔離器的新創企業和利基市場參與者。其產品特點包括使用無磁或精密屏蔽的磁性材料以避免干擾量子位元，以及在毫開爾文 (mK) 溫區仍能保持優異性能的設計，同時需考慮到在稀釋製冷機內部空間的緊湊性。

主要供應商和產品特性：

• Low Noise Factory (LNF): 來自瑞典，設計和生產用於太空探索、量子運算和射頻天文學的低溫微波組件，包括低溫隔離器/循環器⁷。其產品如小型 4-12 GHz 和 10-18 GHz 單結隔離器/循環器，專為接近絕對零度的環境設計¹⁶。
• Quantum Microwave: 不僅分銷 LNF 的低溫隔離器，也擁有自有品牌的低溫微波組件，並與 Raytheon BBN 合作開發低溫產品¹。該公司明確專注於量子運算和射頻天文學市場，提供針對性的解決方案²⁰。
• Metamagnetics: 位於美國，開發射頻和微波解決方案，包括可能無需偏置磁鐵的自偏置微型循環器和隔離器，這在緊湊的低溫設置中具有潛在優勢¹⁴。該公司成立於 2009 年，屬於小型專業實體⁷。
• Raditek: 提供用於量子運算的低溫隔離器，特別標註了其產品可在 0.01-4°K 和 4-77°K 的溫度範圍以及 4-8 GHz 和 8-12 GHz 等頻率下運作²⁵。
• IQM: 雖然主要業務是量子電腦的建構，但其複雜的低溫系統³ 意味著對此類組件的大量使用，並可能涉及內部開發或專業採購。

量子位元對磁場和熱雜訊極為敏感。標準鐵氧體隔離器使用的磁偏置會干擾量子位元的運作，且材料特性在低溫下可能發生劇烈變化。因此，專用的無磁材料或經過精心屏蔽的磁性材料，以及在 mK 溫區仍能保持性能的設計至關重要。上述專業公司如 LNF 和 Quantum Microwave 正是為滿足這些需求而存在¹⁵。

量子運算的快速發展直接推動了對這些專業低溫隔離器的需求。隨著量子系統規模的擴大，對可靠、高性能且緊湊的隔離器的需求將持續增長。量子電腦需要大量的控制和讀取線路，每條線路都可能需要隔離器來保護敏感的量子位元和放大器（如 TWPA）免受不必要的反射和雜訊影響³。因此，建構量子系統的研究人員和工程師必須超越傳統的射頻組件目錄，與這些專業供應商接洽。這些專業廠商提供的「現成」低溫隔離器，極大地推動了該領域的發展。

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教材深挖 5：循環器製造商

整合自既有 Insight iHBAR 教材：QC_hardware/T.html

循環器與隔離器功能相似，均為非互易鐵氧體組件，但循環器通常具有三個或更多埠，允許訊號按特定順序（通常是順時針）從一個埠流向相鄰的下一個埠，同時隔離其他路徑。本節將涵蓋成熟的射頻/微波循環器供應商以及專注於低溫和量子應用特定循環器的公司。

9.1 成熟射頻/微波循環器供應商

許多生產隔離器的公司也製造循環器，因為兩者基於相似的鐵氧體技術。這些公司提供適用於室溫下射頻系統訊號管理的各種循環器。

主要供應商包括：

• Nova Microwave: 專門從事循環器和隔離器的設計與製造，產品頻率範圍從 380 MHz 到 26.5 GHz ⁸。
• M2 Global Technology: 提供同軸、插入式、表面黏著和波導循環器 ¹⁰。
• Cernex Inc.: 其鐵氧體產品線包括結型循環器、插入式循環器、同軸循環器和波導循環器 ¹²。
• Molex: 是一家大型供應商，擁有超過 6,000 種隔離器和循環器型號，頻率範圍從 380 MHz 到 40 GHz，並採用自動化製造 ¹²⁶。
• Pasternack Enterprises: 提供射頻循環器，頻率範圍從 1 GHz 到 26.5 GHz ¹²⁷。
• VidaRF: 提供多種循環器，包括同軸、插入式、表面黏著和波導類型 ¹²³。
• 其他如 Smiths Interconnect、JQL Electronics、Mercury Systems、Renaissance Electronics Corporation、UTE Microwave 等也是市場上的重要參與者 ¹²³。Thomasnet 列出的供應商還包括 NetSource Technology 和 Anatech Electronics ¹³¹。

9.2 新創及利基專業廠商 (低溫/量子應用)

低溫循環器在量子運算中至關重要，用於將訊號路由至量子位元和量子極限放大器（如 TWPA 和 JPA）或從中讀取訊號，同時提供必要的隔離。這些循環器必須在 mK 溫度下可靠工作，並且通常需要無磁或良好屏蔽的設計。

主要供應商和產品特性：

• Low Noise Factory (LNF): 提供低溫隔離器/循環器 ⁷。其 4-12 GHz 和 10-18 GHz 單結組件可用作循環器。
• Quantum Microwave: 分銷 LNF 的低溫循環器，並可能提供其他適用於量子應用的循環器 ⁷。
• Metamagnetics: 其關於自偏置微型循環器和隔離器的研究與此相關 ⁷。
• Raditek: 提供用於量子運算的低溫循環器，與其隔離器產品類似，標明可在 0.01-4°K 和 4-77°K 溫度下工作 ²⁵。
• DiTom Microwave, QuinStar Technology Inc, L-TEQ Microwave Technology, FERRITE-QUASAR: 在 ²⁶ 中被列為低溫循環器製造商。DiTom 提供磁屏蔽同軸低溫循環器；QuinStar 提供 QCY-G0401202 (4-12 GHz)；L-TEQ 和 FERRITE-QUASAR 也列出了特定的低溫循環器型號。
• Lake Shore Cryotronics: 雖然主要以低溫系統和量測聞名，但在低溫設備製造商的搜索結果中出現 ¹³²，其全面的低溫環境解決方案會需要或集成此類組件。

低溫循環器的供應商基礎與低溫隔離器高度重疊，均由少數專業公司引領，專注於為量子運算設計組件。這些公司開發的低溫非互易組件自然會同時涵蓋隔離器和循環器。量子應用的特定需求（低溫、無磁性、特定量子位元操作頻段）驅動了這種專業化。

一個明顯的趨勢是循環器的微型化以及將其集成到低溫放大器模組或量子位元讀取鏈路中。由於稀釋製冷機的冷板空間非常寶貴，將循環器與放大器或其他組件直接集成可以減少佔用空間、互連點以及潛在的故障點或熱負載。Metamagnetics 的「微型循環器」²² 以及量子硬體普遍追求緊湊性的趨勢（例如 QuantWare 的 HEMT 尺寸 TWPA ²）都支持了這一點。

與隔離器一樣，為量子系統採購循環器需要超越標準射頻產品目錄，尋求專業供應商。LNF 或 Raditek 等公司提供的現成低溫循環器的日益普及，簡化了量子硬體的開發。量子新創企業的版圖 ³⁸ 通常包含這些專業循環器的使用者或集成商。

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教材深挖 6：量子信號產生器

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技術原理與背景

「量子信號產生器」泛指能利用量子力學原理來產生訊號或數據的裝置。其中一個典型例子是量子隨機數產生器 (QRNG)，透過量子測量的本質隨機性來取得不可預測的亂數。傳統的隨機數產生器通常依賴演算法（偽隨機）或複雜物理現象，但量子亂數產生器直接利用量子不確定性（例如單光子經過分束板後的檢測結果）來獲得真隨機數，因而在原理上無法被預測或複製。此外，量子信號產生器也包括產生單光子或糾纏光子對的量子光源，例如利用自發參量下轉換 (SPDC) 晶體產生糾纏光子對，或藉由量子點釋放單光子。這類量子光源可視為產生攜帶量子資訊的「信號」裝置，是量子通訊和量子計算實驗的重要基礎。

目前的技術進展與實作方式

在量子亂數產生方面，近年來已有顯著進展。研究團隊成功展示了高速且安全的量子亂數產生技術，例如丹麥科技大學的科學家實現了每秒2.9 Gb的高速量子亂數產生，同時確保亂數對量子側信道攻擊也是安全的。商業上已出現量子亂數晶片，例如 ID Quantique 公司推出了首款用於手機和物聯網裝置的量子亂數產生晶片（IDQ250C2），使行動裝置也能取得高品質的量子亂數。在單光子和糾纏光源方面，目前廣泛使用的實作方式是利用弱相干雷射脈衝（經過強度衰減後近似單光子）進行量子金鑰分發，以及利用SPDC晶體產生糾纏光子。實驗室中，研究者也開發出量子點單光子源與奈米鑽石氮-空穴中心等光源，提升單光子產生的效率與純度。量子糾纏對的分發距離不斷刷新紀錄，例如中國「墨子號」量子衛星已成功實現千公里級的星地量子糾纏分發與量子密鑰分發。總的來說，量子信號產生技術正朝著更高速、更高品質以及更易於整合的方向發展。

應用領域與實際用途

量子信號產生器的應用領域相當廣泛。在資訊安全方面，量子亂數產生器可用於產生加密密鑰，因其亂數無法預測，可大幅提升通訊安全。例如，將量子亂數應用於一時一密的加密系統，可提供理論上無條件安全的通信保障。單光子和糾纏光源則是量子通訊的核心，例如量子金鑰分發（QKD）需要單光子來承載密鑰資訊，而糾纏光子對可用於量子隨選網路和量子隱形傳態等通訊協議。在量子計算和模擬領域，產生特定的量子態（例如貓態、NOON態等）對於量子感測和量子計算都有應用：NOON態可提高干涉式感測的精度（量子測量中的量子增強技術），而高純度的單光子源是光量子電腦的基本資源。此外，量子亂數在科學計算（例如蒙地卡羅模擬）中也有實際用途，能提高模擬結果的可信度。

當前挑戰與未來發展趨勢

儘管已有初步成果，量子信號產生技術仍面臨一些挑戰。對於量子亂數產生器而言，如何同時實現**高速**與**高熵質量**是難點——裝置需要在短時間內產生大量亂數且保證其隨機性經嚴格統計檢驗。未來的趨勢是在晶片上實現整合的量子亂數產生器，讓手機、車用裝置甚至物聯網節點都能內建QRNG，提高整體系統安全性。同時，需要制定亂數標準以驗證其量子隨機性和安全性。對於量子光源，挑戰在於**單光子的生成效率和純度**。目前高品質單光子源往往工作在極低溫或需要複雜設備，不易實用化。未來的發展方向包括：研製常溫下工作的單光子源、提高量子點光源的亮度和純度，以及發展波長可調的糾纏光源以融入現有光通訊基礎設施。此外，在糾纏分發距離方面，需要突破光纖損耗和去相干效應的限制，這可能透過研發量子中繼器來實現。

相關研究機構、公司或產品

量子信號產生技術的研發涉及產學研多方努力。在隨機數方面，瑞士的 ID Quantique 是領先的公司之一，推出了商用的Quantis系列量子亂數產生器，廣泛應用於金融和政府通訊。另外，如加拿大的 Quantum eMotion 也專注開發小型QRNG硬體。在學術界，北京大學量子電子學研究所等機構也設立了專門的研究團隊探索高速量子隨機數發生器的理論與實現。單光子與糾纏光源方面，中國科學技術大學潘建偉團隊研發了多種糾纏光源並主導「墨子號」衛星計畫，奠定了量子通信光源技術的里程碑。歐美的許多實驗室（如麻省理工學院、維也納大學等）在固態單光子源、鑽石色心等領域也有重要成果。公司方面，日內瓦的 華為量子（Huawei Quantum）和日本東芝亦投入了量子光源與QKD設備的開發。可以預期，隨著量子技術熱潮持續升溫，將有更多企業和研究機構投入量子信號產生器的研發與商業化。

技術原理與背景

任意波形產生器（AWG）是一種能夠產生任意形狀電信號的電子儀器，使用數位-類比轉換器(DAC)逐點輸出預先定義的波形。在傳統電子測量中，AWG允許使用者產生不侷限於簡單正弦波或方波的複雜訊號，以滿足各種測試需求。量子任意波形產生器 (Quantum AWG, Q-AWG) 則是這一概念在量子領域的延伸，旨在產生**任意量子態**且具有**任意時間波形**的光或量子信號。簡言之，Q-AWG不僅可以塑造經典波形，還可以塑造量子光場的波形和態。例如，在量子電子學中控制光子的時間結構、相位與振幅，即可創造出所需的非經典光態。由於量子態非常脆弱，量子AWG必須採用與傳統脈衝塑形完全不同的方法來避免破壞量子態。這項技術的提出，是因為在量子資訊處理中，能夠隨心所欲地準備所需的量子態（例如具有特定波包形狀的單光子或疊加態）將帶來極大的靈活性和功能，就如同經典AWG對電子測量的重要性一樣。

目前的技術進展與實作方式

目前在實驗實作上，量子任意波形產生器仍屬於前沿研究課題。然而，類似的概念已開始以另一種形式服務於量子技術：即傳統AWG在量子實驗中的應用。量子運算與量子實驗對訊號控制精度要求極高。舉例而言，在超導量子位元或離子阱量子位元的控制上，每個量子位元通常需要多路的精準射頻或雷射脈衝信號來操作其量子態。研究者使用AWG來產生這些多通道的控制波形。Tektronix等公司推出的高階AWG（如AWG5200系列）提供了8個同步通道，每通道具備高取樣率和深記憶體，可同時輸出多路相位相干的脈衝，用於驅動多個量子位元。在離子量子計算方面，奧地利因斯布魯克大學的研究人員使用AWG透過聲光偏轉器控制雷射光束，可同時驅動一串離子中的多個離子，實現平行的量子操作，顯著加快實驗進程。這種多頻控制實現了對各離子的個別操控，同時避免逐一尋址所耗費的時間。

至於真正的「量子AWG」，已有學者提出初步架構並在實驗中驗證其核心技術。東京大學的研究團隊在2022年發表了Q-AWG的架構設想，並展示了該裝置可在接近GHz的重複頻率下，半決定性地產生前所未有波形的高非經典量子光態。這意味著，他們成功產生了過去未曾實現過、具有特殊時間波形的量子態，證明了以全新方法來塑造量子光脈衝是可行的。實作上，這類量子AWG系統可能結合了快速的電光調變器、光學相位調控器以及單光子/壓縮光源等元件，同步控制，以實現對光子波包的精細調制。目前這方面處於研發早期階段，但其潛力已逐漸顯現。

應用領域與實際用途

任意波形產生器在量子科技中的應用主要分為兩部分：其一是利用現有AWG提高量子系統的控制能力，其二是未來量子AWG實現後帶來的新應用。首先，就現有技術而言，AWG已是量子運算實驗的關鍵工具。對超導量子電腦而言，AWG可產生高保真度、精確計時的微波脈衝，用來執行量子閘操作。對離子阱量子計算，AWG產生的多頻射頻信號可透過聲光調制器控制多束雷射，平行操控多個離子量子比特。在量子感測領域，AWG也可用於產生所需的探測信號或校準信號。例如在量子雷達原型中，可能需要特殊調變的光子態作為發射信號，以實現所謂的量子照明增益。

若展望真正的量子AWG裝置，其應用將更加令人振奮。在量子通訊中，Q-AWG可望生成任意形狀的單光子或糾纏態脈衝，這將提高量子網路協定的靈活性和效率。例如，透過量子AWG可以按照需求產生時序上精心設計的光子序列，實現先進的量子密碼協議或量子隱形傳態方案。在光學量子計算領域，Q-AWG可以用來為光子量子位元（qubit）或連續變量量子位元準備任意初始態，甚至動態改變光子在干涉儀中傳遞的波包形狀，這有助於執行更複雜的光量子邏輯操作。此外，在量子精密測量中，Q-AWG能夠產生特殊的量子態（如壓縮態光場）來突破經典測量的極限，提高傳感器的靈敏度和精度。

當前挑戰與未來發展趨勢

對現有使用於量子領域的AWG來說，一個實際挑戰是**擴充性**和**同步性**。隨著量子處理器中的量子位元數目增加，每個量子位元往往需要多條控制線路，這意味著實驗需要更多通道的AWG同步輸出。在大規模系統中，確保所有通道的訊號保持嚴密同步且互相之間串音很低，是困難的工程挑戰。此外，多通道AWG設備昂貴，每增加一個量子位元都帶來額外的成本負擔。未來的趨勢是發展**高通道密度且低噪聲**的AWG，或者探索將部分波形產生功能下放到低溫電子裝置中（如在低溫晶片上整合DAC，減少傳輸失真）。

對於量子AWG的長遠挑戰，由於要直接處理量子態，技術門檻更高。必須解決如何在不破壞量子相干性的前提下進行波形塑形，例如光學元件的損耗、熱雜訊都需極小。實現Q-AWG還需要開發超高速且高精度的光子調控器件，以及可能需要配合量子記憶體來暫存和釋放光子，以半決定性的方式輸出光子串列。未來隨著光子學與電子學的融合，我們或許會看到光子晶片上實現基本的量子波形塑形功能。另外，隨著量子電腦和量子網路發展，對靈活產生定製量子態的需求將推動Q-AWG技術成熟。整體而言，量子任意波形產生技術有望在未來5-10年逐步從概念走向實驗驗證，長期看甚至成為量子資訊科學實驗室和產業中的常規工具。

相關研究機構、公司或產品

目前傳統AWG市場由多家測試測量領域的龍頭廠商主導，其中包括美國的 Tektronix、Keysight (是德科技)、Spectrum Instrumentation 以及瑞士的 Zurich Instruments 等。Tektronix 的 AWG5200 系列產品專為量子研究提供高同步多通道的解決方案。Keysight 則有PXIe架構的高速AWG（例如M3202A模組），宣稱針對量子運算和大規模MIMO研究提供高品質輸出。Spectrum 公司曾報導奧地利因斯布魯克大學利用其 AWG 卡（M4i.6631-x8）來控制離子陷阱實驗。Zurich Instruments 推出了專為量子技術設計的 HDAWG 系列，具備高通道密度與低相位雜訊，非常適合超導量子比特和半導體自旋比特實驗。

在真正的量子AWG研究方面，日本東京大學的 古澤明 (Akira Furusawa) 團隊是先驅之一，2022年他們在 Science Advances 發表了量子任意波形產生器的架構和實驗結果。另外，NTT、NICT等日本研究單位在量子光學領域實力雄厚，也可能參與相關研究。儘管目前尚無商用的量子AWG產品，但可以預見，隨著技術成熟，測試設備公司可能開發混合型裝置，結合傳統AWG與量子態生成功能。一些量子科技初創公司也值得關注，例如 Quantum Machines（量子機器公司）雖然專注於量子控制硬體，但未來不排除導入量子波形產生的專門模組。總的來說，量子任意波形產生器正處於從學術探索走向產業應用的前夜，其相關研發動態值得持續追蹤。