解開矽量子位元的溫度依賴性：提升閘忠實度的雜訊機制新知

【研究摘要與重點】

- 使用理論模型與統計模擬解析了導致矽量子位元效能下降的雜訊產生機制。
- 透過模擬確定了在比通常溫度（約 200 mK）稍高的環境下運作時，能改善量子閘操作準確度（忠實度）的條件。
- 研究結果顯示，雜訊的來源為「電子遷移」的可能性，遠高於「原子運動」。
- 本研究成果為未來大規模、高密度矽量子電腦的設計（如介面電荷陷阱控制）提供了指導方針。

【研究概要】

東京理科大學與產業技術綜合研究所的共同研究小組，針對矽自旋量子位元中觀測到的量子位元頻率溫度依賴性偏移，以及在極低溫領域的高溫側運作時閘忠實度的改善現象，利用基於二能階漲落（TLFs）衍生電荷雜訊的統計模擬進行了重現與解析。經過對大量參數設定的系統性評估，研究小組證實 TLF 的活化能呈指數分佈、最小遷移時間短且具備急劇的溫度依賴性，是實驗重現與忠實度改善的關鍵。據此，研究小組得出結論：電子遷移是 TLF 主體的最合理起源。本研究為未來元件設計與陷阱控制策略提供了實用的見解。

本研究成果已於 2026 年 5 月 4 日線上發表於國際學術期刊《IEEE ACCESS》。

【研究背景】

量子電腦被視為下一代技術而備受期待。其中，矽量子位元因其與現有半導體製造技術的高度相容性，被認為是通往大規模化最有利的途徑之一。然而，受熱漲落與微小雜訊導致的效能下降仍是一大課題，特別是運作中量子位元共振頻率（Larmor 頻率）的變化，會干擾微波控制的共振條件，進而降低閘操作的精確度（忠實度）。近年實驗報告指出一個看似矛盾的現象：與常規的極低溫（約 20 mK）相比，在稍高溫度（約 200 mK）下運作時，效能反而會有所改善，但其背後的機制一直不明。

【研究結果詳情】

研究小組聚焦於 Si/SiGe 量子點附近半導體/氧化膜介面處假設存在的眾多 TLFs，透過數值模擬詳細調查了其溫度依賴動力學。研究建立了一個包含量子點與外部磁場梯度的模型，系統性地變更 TLFs 的空間配置、活化能分佈、最小遷移時間等參數，以探索能重現實驗報告中「Larmor 頻率的非單調溫度依賴」與「高溫下閘忠實度改善」的條件。針對總計 108 種參數設定，每種設定生成 5,000 種 TLF 分佈進行統計解析。

模擬結果顯示，當 TLF 活化能遵循指數分佈，且遷移時間對溫度變化的反應劇烈時，最能重現實驗現象。考慮到活化能僅數 meV 的微小程度，研究得出結論：與涉及原子大幅位移的機構相比，傳導帶與淺陷阱態之間的電子遷移，才是更有力的起源。因此，控制半導體/氧化膜介面狀態及改進製程，是實現未來大規模、高密度量子電腦中穩定量子閘頻率與高忠實度運作的重要手段。

今後，小組將利用偏壓冷卻等技術對介面陷阱狀態進行控制，並進行實驗驗證，將研究成果應用於元件設計與製程改進，同時將研究擴展至能反映更真實空間分佈的大規模模擬。