imec技術 照亮新創Diraq的量子晶片實用設施應用道路

Diraq在12吋晶圓上開發的雙量子位元元件示意圖，顯示完整的晶圓、單顆晶粒與單一元件等級。圖／imec提供

比利時微電子研究中心（imec）與矽基量子運算新創公司Diraq，展示了透過產業工藝製造的矽量子點量子位元一致表現優於量子糾錯所需的錯誤率。這些發佈於「自然」期刊的研究成果顯示Diraq所研發的量子位元，能利用矽微晶片產業的工具來可靠製造，證實imec用來開發大規模矽基量子電腦的工業製造技術所具備的發展潛力。

由Diraq設計的元件藉助imec在自旋量子位元製造所累積將近10年的謹慎優化與工程經驗，在操作雙量子位元（qubit）的運算一致顯示達到超過99%的保真度。這項創舉由imec先進的自旋量子位元技術平臺所推動實現，爲Diraq邁向實用設施規模的關鍵一步—量子電腦的價值超越其成本的時機。

量子晶片新創Diraq的執行長暨創辦人Andrew Dzurak表示：「要達到量子運算的實用設施規模有賴於找出量產高保真度量子位元的商業可行方法。Diraq與imec建立的合作表明，矽基量子電腦可以藉助發展成熟的半導體產業來建立，這爲含有上百萬個量子位元的晶片開啓一條具備成本效益的發展途徑，同時達到保真度最大化。」

量子運算的保真度把實際運算及其理想版本之間的差距量化，也是實現大規模量子電腦的關鍵指標。理想狀態下，保真度必須在所有運算中（遠）超過99%。這樣的錯誤纔夠稀少來讓量子糾錯方法成功運作。

在此項研究中，保真度經過再現測量，包含針對多裝置量子位元狀態準備與測量（state preparation and measurement，簡稱爲SPAM）的一系列矽量子點自旋量子位元運算，以及在這些量子位元進行的單量子位元與雙量子位元閘極運算，以控制其狀態並糾纏這些量子位元—實現實用設施等級的量子電腦所需的基本運作。SPAM運算達到了超過99.9%的保真度，而單量子位元與雙量子位元閘極運算的保真度也有系統地顯示超過99%，這讓採用產業工藝製造的量子點量子位元元件的量子糾錯因此成真。

一般來說，在學術無塵室製造的量子元件，會根據其品質來挑選用於測量，這種過程會產出「超羣」元件，隱藏了研究結果的可再現性。在此次發表的《自然》期刊論文，Diraq測量了隨機選出的元件，從多組雙量子位元元件取得可再現資料，每個元件包含一個雙量子點結構。這些元件採用imec針對矽量子點結構開發的12吋自旋量子位元平臺來製造，鎖定低電性雜訊和高均勻度進行優化。另外，爲了抑制源自基板內部殘留核自旋的磁性雜訊，這些量子點結構在一層經過同位素濃化的28矽層上製造。