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量子位元的選擇:半導體產業的觀點

  • 林育中

5G通訊的應用,讓矽光子技術快速發展。法新社

目前量子計算技術利用2個量子狀態來疊加及糾纏,用以執行以量子點為基礎的運算,因此只要物質的物理性質具有二能階系統(2-level system),都有可能成為量子位元的製作材料。

量子系統構成有DiVincenzo's criteria的要求,其中有5項和量子計算有關:可擴充性(scalability)、可以將量子位元準備成簡單基準狀態(simple fiducial state)、長相關退相干時間(long relevant decoherence time)、普適的量子閘(universal quantum gate)與量測量子點狀態的能力。其中可擴充性被列為第一要求,這也是半導體產業的核心價值。小數量的量子位元充其量是科普玩具,不能持續進展的技術就不是高科技。

現在有幾種競爭的量子位元技術,包括超導體、離子陷阱(trapped ion)、奈米金鋼石氮空缺(nano-diamond nitrogen vacancy)、拓樸量子位元、量子點、光子、核磁共振(NMR)等技術。其中超導體和離子陷阱技術目前發展較為領先。

超導體可以用電荷、相位和磁通量三種方式來形成量子位元,目前普遍用電荷(叫transmon)的方式,IBM與Google的53位元量子計算機皆採取此種技術。它的退相干時間約600us,需在極低溫20mK環境下操作。超導體的材料一般用濺射沈積或蒸鍍的鋁,雖然也算是半導體製程,但是超導量子位元形成的是宏觀(macroscopic)的量子態,一個量子位元線路尺寸在幾微米以上。

目前超導量子位元的控制和讀取都是單獨引線出來,媒體上看到佈線雜亂量子計算機的內裡就是這些連線,量子位元再多,用接線的方法就不行了。雖然學界為超導體量子計算機發展出一科專門學問叫做線路量子電動力學(circuit QED),但是由於基礎的量子位元體積較大,要藉半導體技術來支撐其可擴充性挑戰性很高。

離子陷阱利用振盪無線電波所形成的位勢限制數個離子-譬如Ca+或Yb+-排列成一直線。它的退相干時間可長達600s,但量子閘的運作很慢。控制量子位元可以用微波或可見光,讀取則用雷射,運作保真度(fidelity)很高。前一陣子宣布在量子體積(總體量子計算能力)此一參數將超前目前所有量子計算機的Honeywell就是採取這種技術,其他還有IonQ和NIST等機構。

最近將離子陷阱製作在矽晶上的嘗試初步算是成功,但是一個離子陷阱大概只能容納十數個離子,要形成大的量子位元數大概得以模組的方式來構成。而模組與模組之間的糾纏需要另有通道,譬如以光子來糾纏兩個量子位元模組,這是連現在半導體都還沒實施的技術。

奈米金鋼石氮空缺將一個電子加入空缺之中,形成一個自旋s=1的量子態,藉著旋轉、糾纏此一自旋以操作量子位元。它的退相干時間也長,達60s,最重要的是它可以在室溫下操作,聽起來極端誘人。但是穩定的東西就難以操作,更麻煩的是晶格缺陷發生的程序是隨機的,要緊密排列氮空缺需要原子工程(atomic engineering),難度很髙,這是量子位元數可擴充性的大蔽障。

拓樸量子位元利用超導體和其他材料界面中準粒子(quasi-particle)-任意子(anyon)-的相位當成量子位元。因為任意子的存在具有拓樸性質,其量子位元的準備、存在、操作受拓樸保護,使得保真度大幅提高。現在因為保真度不夠高而衍生的量子糾錯碼(QECC;Quantum Error Correction Code)問題得以迎刃而解。可惜它的存在還在努力證明之中,遑論應用。

矽基(silicon-based)的量子位元有下列幾種:NMR、量子點和光子。NMR是指將有核自旋的原子,譬如31P或123Sb,植入矽晶圓中,以自旋的上、下當成量子位元能態,操控自旋的方法是用典型的NMR。但是磁場在半導體元件上的應用礙手礙腳的,因為磁場無法被限制在局部,對周遭的元件會有外溢的效應。最近的進展是用核電共振(NER;Nuclear Electric Resonance)來控制植入矽晶的123Sb原子。由於是電場,可以用CMOS來建立,這是半導體熟悉的技術。剩下的問題之一是要純化矽晶。28Si只佔天然矽原子92%的豐度,其餘的同位素有淨核自旋,會成為量子位元的環境雜訊。

量子點是半導體嫻熟的技術,因此Intel以此技術切入量子計算。量子點可以用於其中電子自旋的方向或電荷的有無當成量子狀態。量子點的尺寸才50nm,製作並不困難,可擴充性也很髙,比較大的挑戰是讓兩個量子點的量子位元糾纏不易,到現在只能展示2個量子位元的糾纏。

最後是以光子當成量子位元。光子可以用來當成量子狀態的有三個性質:其自旋、偏極化(polarization)和路徑(path)。路徑是指光子經光子分離器(photon splitter)後因為量子機率的特性可能由不同方向行進,特別是在量子通訊和量子計算中的光源都是單光子。單一光子採路徑A就不會再走路徑B,反之亦然。然而在未量測之前我們無由得知光子採取那一個路徑,這就是兩種狀態的疊加。

由於5G通信的應用,矽光子的技術發展迅速。矽光子與光子量子計算所用的調製器(modulator)有很多技術可以相通的。譬如剛剛發表的在SiN加一層WS2可以大幅減少波導在紅外區域的光子損失,此一結果對矽光子和光子量子計算都同樣適用。由於對矽光子的發展有高度的期待,光子的退相干時間又很長,而以光子路徑為量子狀態的量子計算機在測量前可以在室溫進行,許多人對它深寄期望。

前幾天有一家量子計算機公司PsiQuantum成功募集2.15億美元,宣稱要在數年內完成百萬量子位元級的量子計算機,目前在GlobalFoundries下片做矽光子元件,這個宣稱的時程比全世界任何一家公司至少快5年以上。有趣的是這家公司創辦人之一Prof. Terry Rudolph正是量子力學大宗師薛汀格的外孫。子孫能不能克紹箕裘?敬請拭目以待。

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。