Quantum Builders Summit Taiwan 2025

2025.01.13
Author:Peir-Ru Wang
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  1. 活動簡介

    2. 量子計算在特定問題上蘊含遠超古典電腦的運算潛力，其硬體卻也面臨控制困難、操作時間過短的問題。完整的量子計算至少需要仰賴：

    • 可靠的量子位元
    • 實時的校正與控制訊號
    • 古典電腦的協作
    • 控制參數的模擬與擬合
    • 有效的糾錯
      • 硬體：糾錯電路
      • 軟體：糾錯演算法

    中研院陳啟東教授的演講很明確的展示了實現量子電腦的所需要整合的面向：

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    ▲Ref: Pro. Chii-Dong Chen

    光是在量子位元的實現上，就有需多不同種類的方式仍在發展中、且各有優缺點，陽明交大的李佩雯教授的演講的展示了四種主流的量子位元特性：

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    ▲Ref: Pro. Pei-Wen Li

    當前量子計算仍處於發展期，需要整合許多不同面向的團隊共同實現，故Quantum Machines舉辦了這次的Quantum Builders Summit Taiwan 2025，邀清來自學界與業界專業人士進行交流與教學，演講內容如下：

    Subject Speaker From
    量子位元
    Towards Robust Entanglement in Scaling up Connectivity of Superconducting Qubits Pro. Chii-Dong Chen
    陳啟東 教授    		 Academia Sinica
    Device and Technology Co-Design of Germanium Quantum Dots/Si-based barriers Integrable Charge Qubits Pro. Pei-Wen Li
    李佩雯 教授     		NYCU
    Building Scalable Quantum Computers with Silicon MOS Qubits Dr. Henry Yang Diraq
    量子計算
    Accelerated Quantum Supercomputing Mr. Yun-Yuan Wang NVIDIA
    量子糾錯
    The Case of the Misbehaving Superconducting Qubits Dr. Shai Machnes Qruise
    Building a Hardware-Software Pipeline for Fault-Tolerant Quantum Error Correction Dr. Tommaso Demarie Entropica Labs
    量子位元控制
    Hybrid Quantum Control Dr. Itamar Sivan Quantum Machines
    OPX1000 Demo Dr. Jonathan Reiner Quantum Machines

  2. Towards Robust Entanglement in Scaling up Connectivity of Superconducting Qubits

    3. 陳啟東 教授
    中研院Academia Sinica

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    陳教授的演講集中在當前中研院努力實踐台灣超導量子電腦的研發與應用化。當前中研院台南量子電腦暨產線院區即將完工。為了實踐超導量子位元的計算，需要製作高品質的超導量子電路，接著需要經過一系列校正過程：

    • 1 Qubit特性量測：量測每個量子位元、量子電路的操作參數
    • 1 Qubit操作特性參數決定與校正
    • 2 Qubit操作特性參數決定與校正

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    ▲每個大項目底下都有一系列的參數需要去量測，而且不同量子位元間的參數需要區隔開來避免cross talk。例如說同一個Drive line下的量子位元需要設定在不同的操作頻率，如果操作頻率太過接近，就容易產生錯誤的控制效果。

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    ▲2 Qubit校正示例。事實上，多量子位元電路在過去整套校正流程常常需要半個月以上的時間，而且超導量子位元的參數會算時間變化，幾乎天天都要執行校正流程。故當前超導量子位元雖然是最大宗的量子計算硬體採用的對象，其易於操作的特性卻同時也是其硬傷：容易受到干擾、出錯與退相干。

  3. Device and Technology Co-Design of Germanium Quantum Dots/Si-based barriers Integrable Charge Qubits

    4. 李佩雯 教授
    國立陽明交通大學NYCU

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    李佩雯教授專精的領域為量子點QD(Quantum Dot)。當前主流量子位元中，有一類被稱為自旋量子位元（Spin Qubit）的領域，即是採用矽基或鍺基材料創造出帶有自旋性質的局域量子態，可利用自旋的方向作為量子位元應用。

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    ▲因為矽基與鍺基半導體因為龐大的產業與先進的製程技術積累，故採用矽基或鍺基的自旋量子位元可以迅速應用既有的製程整合技術，極具發展潛力。

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    ▲要實現自旋量子位元的局域量子態，常見的有閘式量子點（左）、或是“物理”量子點（右）。閘式量子點的優點是只需要在矽或鍺材料上鍍上閘電極，透過施加偏壓的方式構造出位能井，即形成量子點，但缺點其一就是偏壓訊號的穩定性，一點擾動（要知道量子世界的數量級是\(\hbar \approx 6.58*10^{-16} eV\cdot s\)）即會讓量子位元退相干。另一方面是採用局部的異質結構形成穩固的量子點，但缺點就是異質整合、如何形成良好的量子點。

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    ▲量子點即是一種位能井，其能階的變化會與量子點的大小有關。

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    ▲透過半導體製程技術，可以實現不同的元件。量子位元可由兩個量子點DQD(Double Quantum Dots)組成；亦可製作成單電子電晶體SET(Single-electron transistor)。可透過靈活的元件設計，實現整合量子運算電路與古典運算電路。

    Some ref:
    1.DOI: 10.1126/science.1118921 (Double Quantum Dotas a Quantum Bit)
    2.Self-organized Pairs of Ge Double Quantum Dots with Tunable Sizes and Spacings Enable Room-Temperature Operation of Qubit and Single-Electron Devices

  4. Building Scalable Quantum Computers with Silicon MOS Qubits

    5. Dr. Henry Yang
    Diraq

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    前一段講述矽基Qubit具備兼容傳統半導體製程的優勢。此外，相較於超導量子位元需要在\(0.1K\)以下的溫度操作，矽基Qubit有機會在\(1K\)左右的的溫度下進行操作，稱為Hot Qubit，可以大幅降低對於低溫系統的仰賴（當然，目前有機會可以在室溫下操作的大概是光量子）。Dr. Henry Yang此次報告的工作主要是如何實現在\(1K\)下High Fidelity的量子控制，並利用一個通用的演算法，可以將任何狀態下的2 Qubit進行初始化（如下圖）。

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  5. Accelerated Quantum Supercomputing

    6. Mr. Yun-Yuan Wang
    NVIDIA

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    有趣的是，在演講舉辦的前幾天，在2025 CES大會上Nvidia執行長黃仁勳的一句“量子計算大約還要15~20年才會成熟”，
    Someday we'll have very useful quantum computers. We're probably five or six orders of magnitudes away, 15 years for useful quantum computers and that would be on the early side. 30 years is probably on the late side. If you picked 20 years a whole bunch of us would believe it. We want to help the industry get there as fast as possible and create the computer of the future.
    仔細看原話會發現Nvidia意圖加速量子計算的發展，但是對於時間的預估，迅速讓全球量子概念股下跌40%，讓眾多如D-Wave的CEO直跳腳。

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    量子世界容易受到雜訊的干擾，無法維持太久的量子計算過程。為了延長量子計算的準確度，時時刻刻的量子糾錯、硬體參數調整是目前量子計算上一大難題。例如Google的研究中(*)，由72 Qubit、72 resonator、121 coupler組成的超導量子電路中，就需要約8000個參數進行校正。一個具有明顯計算優勢的容錯量子通用計算FTQC預估需要百萬數量等級的量子位元組成，其需要的校正參數指數型上升。故若能利用AI計算進行Qubit的控制/讀取、噪聲模擬等等，試圖提升量子計算的可靠度。
    (*)Ref https://www.youtube.com/watch?v=fk2HH9M4FqA&t=684s

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  6. OPX1000 Demo

    7. Dr. Jonathan Reiner
    Quantum Machines

    不同量子位元的特性會有不同的控制需求，同時針對特定的量子位元，也需要精確的驅動來控制量子位元的狀態。控制量子位元會送特定頻率與波形的脈衝，並利用振幅來控制量子狀態的改變，理想上的波形：

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    ▲量子狀態的改變與對應的振幅大小示意動畫。

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    ▲然而事實上，這類理想波形脈衝是由連續的頻率分佈組成，但硬體設計上只能盡可能以足夠多的離散頻率來擬真，再加上與Qubit交互作用下，Qubit感受到的控制訊號會偏離我們預期的訊號。
    doi:10.1063/5.0029735

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    ▲Quantum Machines展示利用OPX1000實現Power Rabi實驗的控制訊號。量子位元的實驗需要良好的訊號品質，完善的電子控制儀器是實現量子計算不可少的一部分。

後記
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