愛爾蘭初創推出全球首款矽基量子計算機，採用矽自旋量子比特，可使用普通電源插座

近日，愛爾蘭初創公司Equal1 推出全球首款矽基量子計算機——Bell-1，這是一台能在混合量子芯片上運行的量子計算機。

（來源：

Equal1）

這台量子計算機以愛爾蘭物理學家約翰·史超活·巴爾（John Stewart Bell）的名字命名，重量大約為 200 公斤，可以使用普通的電源插座。其所採用的機架式設備專為高性能計算數據中心設計，可以直接與標準服務器一同安裝使用。

Equal1 的 CEO 傑森·林奇（Jason Lynch）告訴媒體，將量子技術與當今最先進的經典處理器相結合，為打造具有顛覆性計算潛力的量子計算機提供了最快路徑。

其表示：「Equal1 正在利用成熟的半導體技術，以比競爭對手更快的速度擴大規模。這也是按照當前所需速度來擴展量子計算的最佳方式。」

 （來源：

Equal1）

對於傳統晶體管來說，它能被用於常規計算任務。對於量子晶體管，它能被用於量子比特。在研發本次量子計算機時，Equal1 將傳統晶體管和量子晶體管集成在單個矽基芯片上。量子比特類似於常規電腦中的比特，是量子計算機中的基本信息單位。量子比特越多，機器運行速度就越快。

大多數量子計算技術都基於離子阱或超導量子比特。然而，Equal1 的設計採用了矽自旋量子比特。

Bell-1 要比市面上大多數量子計算機小得多。該公司將這歸功於其所採用的閉式循環低溫製冷機，該製冷機使機器能夠在 0.3 開爾文（-272.85°C）下運行，從而無需大型的外部稀釋製冷機。

據瞭解，大多數量子計算機需要保持超低溫，因為熱量會破壞量子比特的微妙量子態，從而會導致錯誤的產生。

（來源：

Equal1）

目前，Bell-1 僅限 6 個量子比特，這意味著它尚不能解決現實世界的問題。相比之下，Google最近推出的 Willow 芯片擁有 105 個量子比特。然而，Google的機器目前不對外銷售，而 Bell-1 則已經對外銷售。據介紹，Bell-1 將幫助客戶開展量子相位估計和量子糾錯等實驗。

整體來看，量子計算機有望解決傳統計算機無法解決的複雜問題，這可能會在藥物發現、密碼學、建模和人工智能等領域帶來突破。

據介紹，Equal1 成立於 2018 年，是愛爾蘭都柏林大學的衍生公司。這家初創公司目前擁有約 45 名員工，雖然總部設在愛爾蘭首都，但正在荷蘭等其他國家不斷擴張。2024 年，Equal1 在荷蘭戴亞夫特理工大學附近開設了一家研究機構。最近，荷蘭應用科學研究組織向 Equal1 提供了一筆未公開金額的投資。

通過利用標準半導體制造技術，Equal1 希望能以比競爭對手更快的速度，將量子計算推向實際應用。

（來源：

Equal1）

那麼，Equal1 具體是如何將半導體制造技術用於量子計算的？以下為大家詳細介紹。

將電子或空穴限制在「全耗盡型絕緣體上矽」CMOS 結構通道中形成的量子點中，是實現可擴展量子比特架構的一種有前途的方法。其中，「全耗盡型絕緣體上矽」（FDSOI，Fully Depleted Silicon-On-Insulator）是一種先進的半導體制造工藝，其核心特點是通過特殊結構實現晶體管溝道的全耗盡狀態。

在此前一篇論文中，Equal1 展示了使用格芯 22FDXTM 工藝製造的商用納米結構的測量結果。

Equal1 證明，利用施加背電壓和柵電壓的這一組合，可以在器件通道中形成量子點。

論文中，Equal1 展示了通過結合背柵電壓來改變勢壘柵極電壓，從而針對量子點中的能級進行有效失諧的研究結果。

鑒於擴展量子比特規模的需求與重要性，Equal1 通過實驗驗證了在量子點陣列邊緣，採用單電子箱傳感器進行有效電荷探測的可行性。這種方案可以在不同的工作模式之下，精準地探測構成量子點陣列的單量子點與雙量子點中的電荷躍遷。

在論文中，Equal1 表示靜電約束量子點中的量子比特，已經成為可擴展量子計算的主流平台，其兼具優異的相乾性、緊湊的物理尺寸以及兼容工業製造工藝等優勢。

這些量子點可以利用多種自由度編碼量子信息，包括單個載流子的電荷態與自旋態，以及作為量子比特的多粒子態和多量子點態，例如單重態/三重態、純交換態、翻轉態及混合態等。

靜電量子點的典型結構和尺寸，與晶體管極為相似。它們都具有一個用於承載電荷載流子的未摻雜通道、一個用於電荷注入的摻雜源極，以及用於控制通道內電荷佔位的納米級柵極（通常尺寸為數十納米）。

然而，與晶體管不同的是，量子比特陣列要求同一溝道內形成的量子點之間必須實現直接相互作用。

這就要求對量子點之間的隧道耦合進行精確控制，並建立一種機制來讀取多點結構的電荷狀態。

論文中，Equal1 採用基於格芯商用 22 納米「全耗盡型絕緣體上矽」工藝製造的量子點陣列開展了實驗。

「全耗盡型絕緣體上矽」工藝的好處在於，可以實現量子點、電荷傳感器與控制電子元件的單片集成。

論文中，Equal1 還展示了在 22FDXTM 工藝的實施過程中，針對量子點的位置和耦合進行全面電控的能力。

通過根據工作區域改變背柵電壓和勢壘柵電壓，其實現了一個有效的柱塞柵極。

具體來說，Equal1 通過輸運測量驗證了雙量子點結構的形成，借此成功觀測到載流子約束效應、電荷穩定性以及正反向偏壓下的偏置三角形特徵。

然後，Equal1 進一步證明通過分隔兩個量子點的勢壘柵極，能夠精確地調控量子點間的耦合強度。

此外，根據Equal1 之前的工作，其證明可以將同一個量子點陣列，配置成具有一個或兩個相鄰量子點的單引線單電子箱，從而能夠在單電子箱感測模式下測量一個或兩個量子點的電荷穩定性。

如前所述，Equal1 所使用的器件，採用格芯的「全耗盡型絕緣體上矽」技術製造，該器件由一個凸起的源極和漏極以及五個靜電門組成。

（來源：

https://arxiv.org/pdf/2412.08422）

不同於採用柱塞門控制量子點的其他量子點陣列，該器件能夠針對多晶矽屏障門之間形成的量子點進行間接電控。同時，在製造這一器件的時候，無需針對標準光刻工藝進行任何修改。

在重摻雜源極和漏極與量子點之間，柵極QA0 和 QA1 可以充當間隔物。

圖

| 該器件的控制終端電壓與電勢配置（來源：https://arxiv.org/pdf/2412.08422）

論文中的實驗是在一個溫度可控的稀釋製冷機中進行的，溫度範圍為10 毫開爾文至 700 毫開爾文。所使用的芯片，通過倒裝焊方式集成於低溫兼容層壓基板之中，然後後者再與印刷電路板實現互連。

直流電壓由QDevil QDAC-II15 高精度低噪聲數模轉換器生成，並在基礎溫度之下進行濾波處理。

勢壘柵極QT0、QT1 與 QT2，被連接至印刷電路板上的偏置三通器，以便實現快速的脈衝調控。

Equal1 將一個諧振器連接到該器件的源電極上，它與印刷電路板的寄生電容一起，能夠在 75.5MHz 的諧振頻率下進行射頻反射測量檢測。

需要說明的是，該諧振器由一個粘合在印刷電路板上、並通過引線鍵合連接的NbTiN（L = 1µH）超導曲折電感器組成。

用於量子態讀取的射頻信號，則通過衰減同軸電纜傳輸，並由OPX+ 設備生成。（註：在量子計算領域，OPX+ 是量子測控系統的核心設備之一。）

對於射頻載波來說，它經過印刷電路板樣板上的諧振電路反射，並會被4K 低溫放大器加以放大，隨後在室溫之下會被再次放大。

這時，需要使用OPX+ 以 1GS/s 的采樣率針對信號進行數字化。

圖

| 研究中所採用的簡化實驗設置（來源：https://arxiv.org/pdf/2412.08422）

在下圖中，Equal1 展示了在 700 mK 下針對量子點間隧道勢壘的精確控制，由圖可見在 QT0/QT1 和 QT1/QT2 這一對勢壘門對之間形成了兩個量子點。

（來源：

https://arxiv.org/pdf/2412.08422）

通過改變VQT1、即改變分隔兩個量子點的門極電壓，Equal1 證明其能控制這兩個量子點之間的隧道勢壘。

據介紹，這些測量是在傳輸模式之下進行的。其中，源漏電壓的大小是0.5 mV，從而能在 QT0 和 QT2 的左右兩側分別形成電子庫。

研究中，Equal1 展示了位於量子點陣列結構邊緣的單電子箱的形成過程。與此同時，這一實驗也展示了 Equal1 在檢測耦合量子點電荷躍遷方面的應用。

實驗中，Equal1 先後考慮了三種情況：首先，在 QT0 和 QT2 之間形成一個較大的單量子點敏感電子束縛態；隨後，在 QT0 和 QT1 之間形成一個較小的單量子點敏感電子束縛態；最後，在 QT0 和 QT1 之間形成一個雙量子點敏感電子束縛態。

下圖中包含了所有情況的反射計相位和幅度結果。在偏置單電子箱時，會在QA1 下方以及 QT2 和 QA1 下方形成屏障，以便確保傳輸能夠被阻斷。

（來源：

https://arxiv.org/pdf/2412.08422）

當施加VQT2 電壓時，電荷穩定性響應從雙量子點特徵，轉變成為特殊的單量子點特徵。

考慮到單電子箱感測的性質，無論在任何情況之下，電荷躍遷與VQT1 的變化都存在更為強烈的耦合。

這一現像在下述情況中尤為明顯：即當調節VQT2 電壓時，除了三重點附近區域之外幾乎無響應；而 VQT1 電壓的變化，則能在遠離三重點的區域引發清晰的電荷躍遷線。至於在三相點處，則均可以看見明顯的跳躍。

當通過掃瞄VQT2 將電子加載到量子點中時，由於單電子箱與量子點之間的靜電相互作用，單電子箱的響應會發生偏移，從而會在三相點處顯示出電荷穩定性轉變的特徵偏移。

總的來說，Equal1 展示了基於格芯「全耗盡型絕緣體上矽」工藝製造的量子點陣列的實驗表徵。

Equal1 還提出了一種雙點特性表徵方法，該方法能夠精確地控制分隔兩個點的勢壘門，並能形成偏置三角形對。

此外，Equal1 還展示了量子點陣列可以在陣列邊緣配置單電子箱傳感器，並能用於測量同一量子點陣列中形成的量子點的電荷穩定性。Equal1 表示，這也是人們首次在商業量子領域實現這一成果。

需要說明的是，儘管Equal1 公司的所在國愛爾蘭是一個小國，但是它非常重視量子產業。2024 年，愛爾蘭推出該國第一個量子技術國家戰略——「量子2030」。愛爾蘭副總理兼外交部長西蒙·哈利斯（Simon Harris）在該戰略頒布時表示：「我們相信，愛爾蘭可以在信息和通信技術領域現有的成功基礎上，成為支持量子革命的研究、開發和創新的全球領導者，併成為實現和利用量子技術新機遇的中心，特別是在量子計算和通信領域。」

參考資料：

https://arxiv.org/pdf/2412.08422

https://www.equal1.com/publications

https://zhuanlan.zhihu.com/p/693812296

排版：初嘉實