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半導(dǎo)體加工的難度之大是出了名的。它是現(xiàn)代工程中最復(fù)雜的成就之一，因為即便是制造一枚芯片，也需要極高的精度，涉及蝕刻、分層等數(shù)百個步驟。

GaN HEMT 中歐姆接觸形成的基于量子機器學(xué)習(xí)的建模過程的示意圖。

然而，澳大利亞國家科研機構(gòu)—— 聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織（CSIRO）的研究人員完成了一項世界首創(chuàng)的成果，他們利用量子機器學(xué)習(xí)技術(shù)來制造半導(dǎo)體。他們的研究可能會徹底改變芯片的制造方式。

該團隊的研究成果發(fā)表在《journal Advanced Science》期刊上，首次表明將量子方法應(yīng)用于實際實驗數(shù)據(jù)，能夠改進半導(dǎo)體制造工藝。

他們將注意力集中在半導(dǎo)體設(shè)計過程中的一個關(guān)鍵步驟上—— 對半導(dǎo)體材料的歐姆接觸電阻進行建模。這一指標用于衡量半導(dǎo)體與金屬接觸時產(chǎn)生的電阻，而這種電阻會影響電流的流動難易程度。

建模難題

到目前為止，一個棘手的問題是，歐姆接觸電阻的建模難度極大。目前有一種方法是使用經(jīng)典機器學(xué)習(xí)（CML）算法，但這類算法需要龐大的數(shù)據(jù)集，而且在小樣本、非線性的情況下，其性能會下降。

由 CSIRO 量子系統(tǒng)部門負責人、教授穆罕默德?烏斯曼帶領(lǐng)的澳大利亞研究團隊則另辟蹊徑。

他們對 159 個氮化鎵高電子遷移率晶體管（GaN HEMT）半導(dǎo)體的實驗樣本數(shù)據(jù)采用了量子機器學(xué)習(xí)（QML）方法。這種巧妙的方法融合了經(jīng)典技術(shù)與量子技術(shù)。

用于優(yōu)化 QKAR 性能的量子消融研究

首先，他們從眾多制造變量中篩選出那些對性能有關(guān)鍵影響的變量。

接著，他們開發(fā)了一種量子核對齊回歸器（QKAR）架構(gòu)，將經(jīng)典數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為量子態(tài)，從而啟動機器學(xué)習(xí)過程。當從數(shù)據(jù)中提取出所有特征后，再用一種經(jīng)典算法檢索這些信息，然后通過訓(xùn)練該算法來指導(dǎo)制造過程。

在針對同一問題的研究中，QKAR 技術(shù)的表現(xiàn)優(yōu)于七種不同的經(jīng)典機器學(xué)習(xí)算法。

研究人員寫道：“這些發(fā)現(xiàn)表明，在半導(dǎo)體領(lǐng)域，量子機器學(xué)習(xí)在有效處理高維度、小樣本回歸任務(wù)方面具有潛力；并且隨著量子硬件的不斷成熟，它在未來實際應(yīng)用中的部署前景十分廣闊。”

除了有可能降低半導(dǎo)體行業(yè)的制造成本、提升器件性能外，這項研究或許還會帶來其他深遠影響。隨著量子技術(shù)的不斷發(fā)展，它們可能會幫助解決那些經(jīng)典計算機難以應(yīng)對的復(fù)雜問題。