工研院也沒有缺席在臺灣發展量子科技的旅程。在經濟部技術司法人科專的支持下，工研院電子與光電系統研究所半導體晶片與設計組，由許世玄組長、吳育任技術組長領軍，與中研院物理所陳啟東老師團隊，共同合作開發超導量子電腦。

工研院聯手中研院 跨域投入量子位元硬體技術

第一期計畫為2022~2025年。在規劃之初，主要是探討一個以半導體晶片技術為主的團隊，要如何投入以物理科學家為主的量子領域？事實上，量子電腦技術的開發，正需要有更多跨領域技術的整合。

在這個計畫中，由專業的中研院物理學家負責研究量子物理、量子位元議題；工研院團隊則是充份發揮在半導體領域的優勢，投入控制、量測量子位元訊號的電子電路（或稱為控制器）研究項目。因此選定以量子位元（或稱量子處理器）周邊所需的低溫微波控制與讀取晶片及模組，做為投入量子電腦硬體技術的第一步。

室溫環境要求成本高 Cryo-CMOS晶片成解方

由於超導量子位元，需置放於接近絕對零度的冷凍設備中，使得以進入超導態，產生非線性電感的特性（如圖5所示）。當時世界各國所公布的超導量子電腦，如IBM、Google、IQM……，其硬體的架構上，在量子位元周邊，用來產生控制與量測訊號的電子電路，均為一台台在室溫下運做的儀器設備，並置放在一座座的機櫃中。

圖5、工研院開發低溫微波控制與讀取晶片及模組之構想

因此，也需要將控制訊號，從室溫的儀器接到低溫的量子處理器。而要控制與量測一個量子位元，至少需要X、Y、Z寫入，讀取等連線；隨著量子位元數的增加，就會需要更多的連線數，室溫下的電子設備也隨之倍增。這樣將使得量子電腦硬體系統的體積愈龐大也愈耗電，將大幅提高量子電腦的成本。

因此，有鑑於主要的量子電腦系統開發者（IBM、Google、Intel等），也開始意識到室溫下的電子設備，將不利於未來的量子電腦發展；因此也開始設計開發可以在低溫下運作的晶片電路，特稱為Cryo-CMOS。期望運用Cryo-CMOS晶片，來取代原本室溫下的電子儀器設備，以及其與低溫量子處理器之間的連線。換句話說，即是將量子處理器，以及周邊的控制與讀取晶片及模組，一同整合在冷凍設備中。

如此一來，將可以縮小超導量子電腦的體積，成本，也有節能的效果。因此，工研院電光系統所團隊，即運用半導體晶片設計技術，針對在低溫下控制與讀取超導量子位元用之電子電路進行開發。

逐步建構低溫測試環境 工研院發表研究成果

在這樣的一個任務下，首先第一步就是建立低溫測試環境，包括可使用微探針進行晶片特性測試的低溫探針台，以及可測試封裝模組特性之低溫冷凍腔。此處考量低溫微波控制與讀取晶片及模組功耗可能達到1瓦（W）左右，需要較大的降溫能力（Cooling Power），以免影響到量子位元的運作。故一般多規劃將低溫微波控制與讀取晶片及模組，置放在4 K elvin（攝氏約負269℃）的溫層，該溫層的降溫能力約有1瓦到數瓦；而量子位元則放置在10 mKelvin（攝氏約負273℃）的溫層，該溫層的降溫能力則僅有數十毫瓦（mW）。

再者，一般設計晶片，會由晶圓廠取得電晶體元件的等效電路模型資料庫，以做為後續設計電路架構與模擬分析電路特性用。但是通常可取得的等效電路模型均是常溫下的電晶體特性；沒有在極低溫下運作的電晶體特性。因此建構低溫下的電晶體特性參數，便是初始階段非常重要的一環。

基於前述兩個階段，本計畫開始進行低溫微波控制與讀取晶片及模組的設計開發。在2023年底，成功開發出可控制一個量子位元的低溫晶片與模組，並實測驗證可控制中研院所開發的超導量子

位元（如圖6所示）。隨即於2024年3月的量子成果記者會上發布，並於IEEE IMS 2024國際微波研討會上發表研究成果。

到了2024年底，工研院團隊更進一步發表了兩個量子位元的低溫微波控制與讀取晶片及模組（如圖7所示）；亦完成控制中研院兩個量子位元的實測驗證，並可透過調整量子位元的頻率，觀察到糾纏態的現象，顯示所開發出的模組具有寬頻的特性；亦於IEEE IMS 2025國際微波研討會上發表研究成果。在2025年底，預計將完成開發可控制與讀取8~10個超導量子位元的低溫微波晶片及模組。

圖6、工研院低溫微波控制與讀取晶片及模組，成功控制中研院所開發之量子位元

圖7、工研院所開發之可控制兩個量子位元低溫模組

結語

未來的發展方向，工研院除了持續達成更多的量子位元數的控制與讀取，將會更進一步探討提高電路整合度，使得量子電腦硬體可以真正的縮小化，並節省電路的功耗，期望量子電腦有個人化的機會。並期望降低國內半導體產業及電機電子人才投入量子技術開發的門檻，協助國內投入量子電腦產品開發，建立我國自主的量子電腦供應鏈。