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 Evaporation)。這些技術都很難大量生產。在一篇近期論文中，imec發布在其先進的12吋CMOS試驗製程，僅用業界的製造方法，首次在12吋矽晶圓製出超導量子位元，達到高良率和長久的量子相干時間。

上面兩項成果意味著更可靠且大規模製造量子位元，進而建造量子電腦的時刻即將到來。

邁向十億量子位元之路

量子運算可以說是目前最熱門的研究主題之一。量子電腦操控了量子機械現象的性能，以勝過傳統最強電腦的速度來處理特定問題。這些電腦如果發展到足夠的成熟度，未來就有可能協助合成分子級的完美藥物，也有可能幫忙解決材料研究、化學、數值數學和加密空間領域的其他當前難以解決的問題。此處關鍵在於「有可能」。在量子電腦開始發揮實際功用之前，必須先排除重大障礙。顯而易見，擴增量子位元仍是一道關鍵障礙。

量子電腦是出名的不穩定，還容易出錯，所以需要數百萬個量子位元共同運作來改正錯誤，才能準確執行量子電腦所承諾的轉型計算。要得到十億個量子位元，量子位元的製造勢必要離開實驗室，進入晶圓廠，並解決生產良率和變異問題。先進的CMOS製程流程可以達到晶圓級均勻度和高良率，但目前用CMOS製造的電晶體元件，其設計和操作條件與量子元件有很大的不同，所以，現成的電晶體製程不能直接用來生產量子位元結構。但是當這些製程經過適當調整，以符合量子位元的需求時，就有可能大大解決現有的量子位元限制。

imec研究人員近期利用一條客製化的12吋晶圓製程產線，展示半導體與超導量子位元的成功整合。此外，imec研發的矽量子點自旋量子位元，還創下最低紀錄的電荷雜訊值，其平均電荷雜訊為0.61μeV/√Hz。該數值是維持量子相干性(Coherence)的關鍵參數。

矽自旋量子位元：處理電荷雜訊和閘極缺陷

imec開發的矽自旋量子位元以半導體量子點(Quantum Dot)結構為主，這些結構會捕獲電子或電洞的單一自旋。在半導體廠房或業界的產線製造這些量子位元的一大好處是這些量子位元與現有的矽基製程高度相容。雖然目前展示過幾款晶圓廠製的矽自旋量子位元，但通常最終的量子性能會出現較多雜訊，所以相干性和保真度比在實驗室環境或學研無塵室製造的量子位元還低。

相干性(Coherence)是用來表示量子能夠長時間儲存量子資訊的指標，對於執行量子資訊處理任務來說至關重要。這會直接影響量子位元的保真度，這是另一項量子運算的關鍵指標，用來定義一顆量子位元得以執行特定運算的忠實度。

電荷雜訊一直被視為降低相干性的主因之一。為盡可能降低電荷雜訊，進而達成更長的相干時間，改善基於矽/二氧化矽的金屬氧化物半導體(MOS)堆疊品質，是重要的工作項目之一。雖然透過像是剝離製程等理論上較為「溫和」的實驗室技術可以實現這點，但目前業界主流採用的活性離子電漿蝕刻和微影圖形化等製造技術，很容易導致矽/二氧化矽介面品質的衰退，據推測是源於電漿製程時注入了帶電缺陷。

透過全面最佳化閘極堆疊，包含詳細分析不同製程步驟所誘發的所有缺陷，imec研究人員展示了新的矽/二氧化矽介面(圖1)。這些新介面即便經過工業製造處理，也有可能提供執行量子運算所需的極低雜訊環境。此途徑也提供了更高良率和更小變異的附加好處。業界之所以在討論是否不再於CMOS製程中採用剝離製程，而是改用蝕刻型圖形化技術，就是為了追求這些特性。

研究人員發現，一層具備中等厚度和高品質的熱成長氧化物，在結合多晶矽閘極(而非常用的金屬閘極)以及特定的清洗和蝕刻製程之後，產出了最佳結果。此外，經過最佳化的閘極堆疊也顯現了「寄生點」的密度降低。所謂寄生點是指在預定量子點周圍的局部缺陷意外產生的量子點。寄生點會影響量子點的可擴充性，因為這些寄生點會干涉量子點的耦合，例如在相鄰量子點之間的雙量子閘極內。

與之前最先進的實驗室製矽量子結構相比，透過新方法生產的量子位元電荷雜訊低了10倍，也實現驚人一致的量子點運算，還具備高保真度。這支imec團隊與位於澳洲的多位研究人員合作，在這些最佳化元件上展示了創下最高紀錄的99.91%量子控制保真度。這項成果已在近期年度IEEE國際超大型積體電路技術研討會(VLSI Symposium)隨附舉行的2024年矽奈米電子研討會上展示。這確認了業界採用的成熟製造技術，也可以運用在量子技術的開發上。