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台灣發展量子計算產業的策略

  • 林育中

Chiplet可能是台灣切入量子計算機的其中一條道路。法新社

從事量子計算研發的人大概都會謙遜的說真實的應用是decades away。對於通用容誤量子計算機(universal fault-tolerant quantum computer),這也許是真實的陳述;但是許多量子啟發(quantum-inspired)的應用早已先後出爐,半導體產業的年度盛事2019 IEDM亦將量子計算首次納入獨立議程。如果說通用容誤量子計算機的商業化還早,量子計算產業化及應用的路途已悠然開展。

量子計算機的幾個主要模組是量子位元板(qubit board)、控制板(control board)、低溫模組與傳統計算機界面(未來的計算機預計是傳統計算機與量子計算機混用)。

量子位元板是目前研發技術的核心,量子位元的種類繁多,去年美國國家研究院在其年度報告中排列的三個前景較為清晰的量子位元技術,依次是離子陷阱(trapped ion)、超導體與光子,雖然去年下半超導體量子位元明顯的取得較大進展。量子位元板主要的發展方向除了量子位元種類的創造與選擇外,主要的挑戰為延長量子位元的退相干(decoherence)時間以及提高其保真度(fidelity),增加量子位元數的目標還在其次。

台灣於此一猶處於方向發散的次領域不可能全面涵蓋,只能選擇與自己強項相關的—矽基(silicon-based)量子位元,譬如量子點或光子(與矽光子技術密切相關)量子位元。除了對量子點技術的發展外,另外重要的目標是開發量子點與其他模組的介面整合技術及標準,這是系統工程重要能力的一環。

控制板的兩大功能是操作及讀取(readout)量子位元。這部分元件未必是半導體傳統元件,譬如超導體量子位元的Josephson junction、或者是離子陷阱用來限制離子的微波、又或降溫的雷射,這些元件目前也有直接裝設在量子位元板上以就近控制,量子位元操作結果也有用光纖引至另處讀取的。

在量子位元數增加至可以有實際應用的數量後,可以想像的目前以「科學儀器」方式建造的結構很難支持一個商用機器的建造、運作以及維修。這些非傳統半導體元件追根究柢也需要半導體線路來控制其運作,所以量子位元數的成長—即使不是矽基量子位元的量子計算機,也需要靠半導體的微縮和整合來完成系統整合。

這部分的技術是台灣的強項,由此切入量子計算機的新興領域比由量子位元切人更順勢。目前可以想見相關的技術包括chiplet(量子位元先以較小數量位元整合成一模組,多模組再整合成量子位元板)、3D封裝(量子位元板的上下堆疊)、異構整合(量子位元板與控制板上下堆疊的異構整合)、矽光子(當成光子量子位元以及量子位元模組之間的遠距糾纒、傳輸)等。這些技術都是超越摩爾定律世代的新技術,有的正在發展之中。

應用這些技術於量子計算機的系統整合之上需要特化,譬如用於量子計算機的3D封裝與異構整合需要考慮極低溫下的半導體元件運作與巨大溫度梯度下的應力;光子量子位元所需要的光源是單光子(single photon),而不是一般矽光子所常見的InP雷射,感測器也是針對單光子,而且偵測環境是4oK,以減少雜訊。這些都是目前半導體技術發展的方向,卻需要特化以導入量子計算機的應用。

量子計算機目前是世界各國尖端技術的競爭領域之一,台灣因為有半導體的基底亦有機會享有一席之地,然而由一類群技術要轉換成一個產業是需要策略的。首先是教育與師資,美國的國策甚至要將量子教育推進至中、小學—小時候學的才會變成本能。

再來是應用。雖然目前離通用容誤量子計算機的年代尚有一段時日,但是有一些量子啟發的特殊設備如量子退火(quantum annealer)與數位退火(digital annealer)等已有能力使用數千擬似量子位元的優化(optimization)計算。量子計算預期未來的主要應用領域有3:物質科學(含製藥、化學與材料)、機器學習與金融,其中許多牽涉到優化的問題可以在不久的未來於這些量子啟發的專用機器上實際解決。一個新技術能有實際的應用時才能得到社會其他環節的正面回應,在其發展中不斷挹注資源。在AI產業出現過數次的「AI寒冬」才不會於量子計算產業出現。

最後是要擅於搭便車。其他產業已有市場驅動力的技術可以用搭便車、用其技術或市場,譬如5G應用所驅動的矽光子、後摩爾定律半導體的異構整合以及機器學習等,這些技術與市場都因其應用市場已投入大量資源。台灣的經濟體量小,可支配資源較少。搭這些新興技術與市場的便車也可以有效的加大台灣量子計算的投入。

我偶而這樣想:20幾年前台灣也不會自己設計、製作電腦的核心CPU,但我們仍然成為電腦及伺服器的最大產地,靠的是完整的週邊工業體系,極適合系統整合。現在量子計算機我們又面臨類似的處境,量子位元板的發展我們是後進,然而其他的環節台灣還算整齊。我們能不能複製傳統電腦世代的成功故事呢?

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。