離子阱實驗室 從精準控制到高效讀取
邁向規模化商用未來

在全球量子運算競賽升溫之下，鴻海研究院離子阱實驗室自2021年成立以來，便致力於打造高品質的量子位元控制環境，並以實現穩定離子陣列為核心研究主軸。截至2025年為止，實驗室已在硬體架設、離子冷卻、單次讀取保真度，以及初步量子操控等方面，取得顯著突破。這不僅代表實驗室完成了關鍵技術驗證，更顯示鴻海科技集團在量子運算的軟、硬體整合上，已具備自主開發能力。

作為實現量子運算的硬體平台，離子阱系統使用天然原子作為量子位元，具備完全相同的物理特性，因此不需要像人造位元（超導、半導體）必須高度依賴精密的製程技術來提升良率，避免了元件間微小誤差的校正成本，展現位元品質上得天獨厚的技術優勢。

在眾多量子運算平台（如：超導位元、光子、原子等）中，真正使離子阱系統脫穎而出的，還是其卓越的同調時間與低出錯率。量子位元的同調性，是衡量量子資訊在不受環境干擾下可保存時間的關鍵指標；相較於超導量子位元通常僅有毫秒等級的同調時間，離子量子位元可長達數秒，甚至在特定條件下可達到小時尺度。這種長效的穩定性，對於執行結構複雜、計算深度較高的量子演算法至關重要。

鐿171離子與線性保羅阱

離子阱實驗室2025年主要研究成果之一，便是建立以線性保羅離子阱（Linear Paul Trap）搭配鐿171（Yb171）離子的技術路徑。

鐿原子在週期表中位於下方的鑭系元素，屬稀土金屬，外層環繞著兩顆電子。團隊將鐿金屬塊材汽化形成原子氣體，透過光致游離技術，將外層的一顆電子游離，使其成為帶正電的離子，再藉由離子阱電極提供的交流電場將離子束縛於阱內。此時離子的外層僅剩一顆電子，其能階結構相對簡單，大幅降低雷射控制的複雜度與系統成本，並有效提升控制精準度。

選擇鐿171離子的主要原因，是其對外部磁場干擾的敏感度較低。這種技術層級與原子鐘等高精度實驗相仿，能確保量子位元在運算過程中，不會因為微小的環境變化而產生資訊錯誤。

都卜勒冷卻與線性庫倫晶體

要讓離子成為合格的量子位元，必須先將其「定格」在空間中。因此，離子阱實驗室利用都卜勒雷射冷卻技術，將離子冷卻至幾乎絕對零度。在極低溫的環境下，離子間的庫倫互斥力與離子阱提供的外部電場達到平衡，形成穩定的線性庫倫晶體結構。

在光學顯微影像中，這些被捕獲的離子陣列看起來就像一串「珍珠項鍊」，彼此保持數微米的距離排成一列。此系統目前已展現極高的穩定性，離子阱實驗室估計，離子在阱中的存續時間可達數天甚至更久，為長時間的量子實驗提供穩固的平台。

99.67％的高保真度讀取

讀取，是量子運算最後也最重要的環節。如果不能準確讀出運算結果，前面的操控再精準也無濟於事。實驗數據顯示，離子阱實驗室單次讀取保真度已達99.67％，顯示實驗室在量子位元的狀態準備與測量（SPAM）上，誤差已被壓制到極低水準。

在螢光探測直方圖中，離子阱實驗室觀察到代表暗態（State 0）與亮態（State 1）的光子數分布呈現清晰的分離。起初，受限於系統背景雜訊，區分亮暗態的最佳閾值落在 8 次計數左右；然而，近期實驗室透過優化光學系統，有效抑制雜訊，將最佳閾值成功降至 3 ～ 4 次計數之間。

這項改進源於幾點技術突破。首先是提升訊雜比，也就是透過使用高數值孔徑的透鏡系統，增加捕捉離子螢光的能力；其次是減少散射光，即改善遮擋與光學設計，避免雷射照射到離子阱硬體產生的雜光進入探測器；另外，採用光電倍增管進行高靈敏度訊號採集，也是技術突破之一。

精確的同調操控與拉比振盪

除了讀取，如何「命令」離子進行運算同樣關鍵。離子阱實驗室已成功觀測到清晰且衰減率極低的「拉比振盪」（Rabi Oscillations）。拉比振盪是量子位元在0與1之間隨驅動脈衝時間而演化的過程，當這種振盪呈現穩定且低衰減的正弦波模式時，代表團隊對量子態具備高度確定的演化控制能力。

拉比振盪的成功，是實現精準單量子位元操作（如：X gate、H gate）的關鍵基礎，證實實驗系統具備長同調時間，並為未來實現更高複雜度的單量子位元邏輯閘提供更寬裕的容錯空間。

朝擴展性與晶片化布局未來

子阱實驗室已提前布局多代硬體系統。第一代離子阱為單區刀鋒型設計，主要用於基礎捕獲；正在開發的第二代系統則導入多區結構，並採用碳化矽晶圓與精密電路設計。這種介於傳統大型3D和全平面晶片化間的2.5D結構，允許離子在不同區域中穿梭，將需要進行糾纏的離子移動至特定運算區執行邏輯閘；當某顆離子不參與運算時，可以將其搬移至遠處，減少對其他位元的干擾。

放眼未來，第三代的目標是真正的「晶片型離子阱」。傳統系統依賴龐大的光學桌來引導雷射，限制商用化可能，而離子阱實驗室正結合矽光子技術，希望將波導整合至矽基板上，讓光直接在晶片內部傳遞，再由下而上精準聚焦於懸浮的離子上。

目前，離子阱實驗室已與陽明交通大學成功開發整合於晶片上的控制光源。該技術是在氮化矽波導上，實現具備相位與振幅控制能力的非局域可見光超穎介面，未來可望取代外部體積龐大的光路系統，實現量子位元的高精度定址操控，並為離子阱量子電腦的大規模擴展與模組化商用奠定核心技術基礎。

對離子阱實驗室而言，2025年堪稱打底關鍵年，目前已設定明確的發展路徑圖；至於2026年，重點將是部署拉曼雷射系統，以實現關鍵的雙位元邏輯閘與離子糾纏實驗，目標是在2027年推出5顆到10顆量子位元的可程式化量子電腦原型。

「2024年我們把離子抓住，但抓到不代表有操控能力；2025年我們所有的努力，都是為了建立精準的狀態控制能力，確保每一顆離子都能成為高品質的量子位元，」離子阱實驗室主任林俊達表示，透過持續優化光路、抑制環境雜訊並導入半導體製程，離子阱實驗室正穩健朝著量子科技的商用化大步前進。