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量子位元的種類-兼論量子政策

  • 林育中

雖然IBM與Google持續研發量子電腦,但是量子電腦離實用的地步還遠。IBM

量子位元是量子計算及量子通信最基礎的單位,它的工作原理決定了量子位元以及操作的特性,也決定了週邊元件的技術以及未來發展的限制。目前候選的種類眾多,在有限的人力及經費資源下,選擇成功機率大的技術路徑、集中資源投入選定方向是小經濟體最重要的課題。

量子位元的準備、運作、儲存等面臨許多挑戰,在剛開始最重要的挑戰是相關時間(coherence time)與可操作性,長遠的來講還有可擴展性(scalability)。相關時間粗略的來講是組成量子位元的量子狀態可以維持多久?量子狀態受周遭環境的影響,譬如熱擾動、電磁場、自旋等影響,很容易受到干擾,產生錯誤。量子狀態需要準備、計算、最後測量,這些運作都需要時間,需要在量子狀態崩潰以前完成,這與量子位元的組成材質息息相關。

因為量子位元需要被運作,可操作性當然也是重要的特性。但是這也形成在半導體記憶體也曾有過的兩難:記憶久的讀寫難、讀寫容易的記不久,所以在半導體行之已久的記憶體體制(memory hierarchy)也有可能在量子計算中形成:有些種類量子位元用來做運算,有些種類量子位元用來做儲存。

可擴展性是量子計算的遠景考量。雖說上個月IBM與Google陸續有消息做出超出50個量子位元的量子電腦,達到所謂「量子霸權」的地步—對有些特定的問題,量子電腦的計算速度為傳統電腦所遠不能及,但是量子電腦離實用的地步還遠。要用量子電腦解決真實的問題,目前估計至少要數千個量子位元。而以目前的處理技術,這可能需要數以百萬計的量子位元來做量子糾誤編碼(Quantum Error Correction Code;QECC),所以到未來之路,量子位元數目及結構的擴展是必經之路。

量子位元基本上需要至少兩個量子狀態系統(two-level system;二階系統),常用的工具有粒子(電子、光子、原子核等)的自旋上或下、系統的量子態(譬如離子陷阱的聲子態)、光子的偏極化、光子的路徑、磁通量的正負、系統的相位、系統電荷的有無等,預期還有更多的物理性質可以用來做二階系統。

目前發展進度最快的是利用超導體的電荷(transmon),已經做出來高量子位元數的量子電腦都是採用此一機制。超導體還可以利用磁通量(flux)或相位(phase)組成量子位元。但是超導體需要極低溫—這不算大缺陷,其他絕大部分的量子位元也都需要極低溫來降低環境中的雜訊干擾,另外超導體的可擴展性比較受到質疑。

另一大類是矽基(silicon-based)的量子位元,包括用量子點(quantum dot)其中的電子自旋方向或電子的有無來形成二階狀態、用矽晶上植入之 中電子自旋形成二階狀態等。這類量子位元在製造時並不十分困難,但是量子位元放置在矽中,雜訊甚多。更困難的是將量子位元彼此糾纏,目前能糾纏的量子位元數極少。沒有糾纏和疊加,就沒有量子計算的威力。

這個方向的研發極具魅力,主要是在可擴展性。半導體技術畢竟發展了60年,微縮技術成熟。一旦解決雜訊和糾纏問題,量子位元數可能急速攀升。另外,量子計算機中也有傳統的週邊控制線路,矽基量子位元與週邊控制線路容易整合自不待言。

再一個大族群是用光子當量子位元。光子可以當量子位元的性質有自旋、偏極化(polarization)和路徑(path)。光子通常用在量子通訊上,可以在空氣中或光纖中傳遞。用光子當量子位元計算也不少見,也有特殊的吸引力。第一是矽光子(silicon photonics)的發展,矽光子因5G的佈建成為半導體技術的焦點,明年異構整合技術路標就是要將矽光子晶片整合入異構封裝。

矽光子技術的迅速發展可以外溢到矽基光子量子位元的發展上,特別是調制器(modulator)頗有綜效。另外,如果我們只採用光子路徑當量子位元狀態,這性質很耐干擾,有機會不用低溫。再者,做光子量子計算對於量子通訊技術發展也有幫助,而量子通信是未來社會的骨幹。將來沒有量子通訊,沒人敢跟你互聯網路

當然除了這三類外,還有核磁共振(NMR)、離子陷阱(trapped ion)、奈米鑽石氮缺陷(nano-diamond nitrogen vacancy)、光晶格(optical lattice)、Majorana費米子等候選材料、機製。但是對於台灣的經濟體量,我的個人選擇是矽基和光子量子位元,另外再加量子演算法和週邊控制線路。這樣我們會有稍高的出線機率。即便是終將未能成為量子位元的領先群,但是在應用和系統製造上也有重要的比例!

現為DIGITIMES顧問,1988年獲物理學博士學位,任教於中央大學,後轉往科技產業發展。曾任茂德科技董事及副總、普天茂德科技總經理、康帝科技總經理等職位。曾於 Taiwan Semicon 任諮詢委員,主持黃光論壇。2001~2002 獲選為台灣半導體產業協會監事、監事長。現在於台大物理系訪問研究,主要研究領域為自旋電子學相關物質及機制的基礎研究。