Orange Quantum Systems（荷兰代尔夫特）的公司口号是“了解你的量子芯片”，它恰当地描述了越来越多的量子技术初创公司竞相实现的目标。随着量子处理器通常超过 100 量子位大关，了解这些较大芯片的性能变得前所未有的重要和困难。

Orange Quantum Systems（QS）开发和工程总监 Thorsten Last表示：“研发界在量子芯片开发方面取得了巨大进步，我们正在进入一个新阶段，IBM 将其称为实用规模的量子计算。”“这涉及百量子位以上级别的处理器，但实验室研究人员无法再对这些具有100多个量子位的量子芯片进行表征。在这个计算复杂性的时代，我们需要加速和扩展芯片测试。”

量子芯片，无论是基于超导、俘获离子还是半导体量子位，都很脆弱并且容易出现错误，通常是由于热噪声、电磁干扰或制造缺陷。测试和测量方法对于检测影响量子计算的错误至关重要，但当今基于实验室的方法速度很慢：一个小芯片可能需要许多工程师在低温实验室中进行数月的测试。这与 CMOS 器件形成鲜明对比，后者通常可以在几个小时内对整个晶圆进行数千次测试。

量子芯片测试还必须在低温高真空条件下进行，因此总而言之，它不太可能很快达到CMOS测试吞吐量。随着量子芯片尺寸的增大，以及制造从实验室转移到工厂，当今基于实验室的测试瓶颈可能会阻碍进展。

为了解决这个问题，Orange QS去年9月筹集了150万欧元的种子前资金（加上之前获得的250万欧元的欧洲创新理事会加速器拨款），用于开发Orange Industry System，这是一种生产线末端自动化测试设备,用于工业环境中高通量量子位测试的系统。该初创公司已经推出了Orange Rack，这是一组与其量子位诊断软件集成的控制电子设备，用于在研发实验室中自动进行量子位测试。但最新的系统将在低温下并行或多重设置地测试量子芯片时提供更多的自动化。

Last表示：“我们希望使传统芯片行业的规模和速度更接近量子……并且正在开发用于更大芯片的工具，这实际上将确保该行业继续保持量子发展的步伐。”“我们将在今年晚些时候推出第一代超导量子位工业系统。”

Last和他的同事的目标是在一周内完成一个测试周期。在这里，一个100量子位规模的量子处理器被插入到系统中，冷却到毫开尔文温度并进行测试，并在掌握相关数据的情况下，从系统中检索芯片。“在测试过程中，关键性能参数，例如一致性和基于随机基准的门错误率，将以自动化方式获得，”Last说。“世界各地的许多组织需要更长的时间来表征量子比特数少得多的芯片。”

这就是未来的量子芯片测试系统如此重要的地方。正如Last提到的，高保真量子位可提供更低的错误率和更好的芯片功能，因此了解芯片性能和质量至关重要。“芯片制造商需要制造许多高保真量子位，以使量子计算发挥作用，”他说。“我们非常希望提供高节奏的学习，这意味着他们可以将芯片放入我们的系统中，进行测试，然后再次取出并加速他们的学习。”

检查准备：使用引线键合器连接到芯片（来源：QuantaMap）

不同的方法

另一家专注于支持量子芯片质量的初创公司QuantaMap是荷兰莱顿大学的衍生公司，该公司在早期融资中筹集了140万欧元。QuantaMap首席执行官Johannes Jobst说：“你试图在芯片上挤压的量子比特越多，质量就越差，目前，量子比特数的扩展正在停滞不前，因为芯片制造商并不总是能获得足够好的量子比特质量。量子芯片制造商开始注意到这一点，我们看到人们对我们正在做的事情很感兴趣。芯片质量确实是目前最相关的障碍。”

虽然Jobst和Last对芯片质量有着同样的担忧，但QuantaMap正在研究一种截然不同的测试技术。在其“SQUID-on-tip”方法中，超导量子干涉装置（SQUID）安装在原子力显微镜的尖端，用于在开发和制造过程中扫描量子芯片，该装置基于超导环路检测弱磁场和温度梯度。该系统可检测许多参数，包括局部温度的变化、泄漏电流、杂散射频场和芯片上的磁矩，所有这些都指向芯片质量的潜在问题。

Jobst和他的同事们也在努力测量量子电路中两能级系统缺陷的密度，这些缺陷会干扰量子比特并导致退相干。“衡量这将是整个游戏的圣杯，我们认为我们将能够在某个时候用我们的技术做到这一点，”Jobst说。“如果你能识别出这些缺陷，并在制造过程中消除这个问题，你真的会增加一致性时间，这将是一个游戏规则的改变者。”

到目前为止，QuantaMap团队已经建立了一个工作原型，证明了该技术在量子芯片诊断中的可行性。新的重点是启动并运行用户友好的商业版本。“在未来三年内，我们将向市场推出一种可以在芯片生产线上定期进行芯片诊断的产品，” Jobst说。

Orange QS和QuantaMap 方法可能是互补的。Orange QS系统专为下线测试而设计，而QuantaMap的工具则针对芯片开发和制造过程中的在线测试，因此每种方法都对任何有兴趣加速大规模分析的芯片制造商都具有吸引力。显然，这种现成的测试设备可能会对量子芯片的质量产生巨大影响。

“Orange Quantum Systems的[工具]与我们的工作非常互补，”Jobst说。“它们测量芯片性能并提供数据，例如退相干时间，这是我们无法从测量中提供的信息。但是，下线测试无法回答为什么芯片10%的量子比特的退相干时间更短，而在线测试可以。”

“对于任何芯片生产商来说，这两部分信息都需要相互关联和连接，”Jobst补充道。“这就是CMOS半导体计量中发生的事情，我们正在将两者结合在一起，用于量子行业。”

Orange QS的Last对此表示赞同，并评论道：“相关性是找出传统芯片（问题）的关键，我们现在正处于量子芯片的早期阶段。晶圆级的量子芯片测试无法通过单一工具完成。”

那么，至少在欧洲的这个角落，量子芯片测试现在该怎么办？两家公司之间的合作已经在进行中，以期建立一个联合的检验和测试管道，这项工作似乎恰逢其时。

在11月的一篇博客文章中，IBM透露，它正在通过采用一种新的保真度相关指标来更新其衡量量子质量的方式。正如帖子中所述，“我们需要一个额外的指标来跟踪100+量子比特的持续改进，并帮助我们了解系统运行大规模、错误缓解算法的能力。”

从现在开始，能够为制造商提供如此重要的芯片质量细节的可扩展自动化测试设备将是必不可少的，Jobst和Last都决心将这些必要的产品带入量子行业。正如Last所说，“我们现在的目标是说服世界上的工业规模组织将我们的系统放在他们的设施中。”