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量子點與量子電腦

  • 林育中
量子點可見的應用包括電晶體、太陽能電池、顯示器、醫療影像,以及量子計算機的量子位元上。(圖片來源:Antipoff)

量子點(quantum dot)將電子與電洞局限在極小的物質中-通常只有幾nm-因而產生可以控制的光、電、自旋等性質,通常這些性質與量子點的尺寸、形狀和材料有關。它的材料通常是半導體,譬如硫化鎘、硫化鉛等,因此有依賴成熟的半導體生產體制快速進入量產的潛力。目前它可見的應用包括電晶體、太陽能電池、顯示器、醫療影像等。最近幾年內,它又被用在量子計算機的量子位元上。

量子位元是量子計算機運算和儲存的基本單元,元件構成物質的提議包括光子、被困離子(trapped ion)、超導體線路、氮-空缺鑽石(Nitrogen-Vacancy diamond;NV diamond)、矽中的磷原子、量子點等,其中矽中的磷原子與量子點是與現存半導體技術最貼近的構想。這幾種量子位元設計除了超導體線路比較有彈性外,其他的都是以元件中的光子、電子或原子的自旋當成量子態的代表來執行量子計算和儲存。但是量子態很容易受熱擾動及其它因素影響,所以目前量子計算機都需要在極低溫下運作,通常在100m°K以下,接近絕對零度。

量子計算和量子位元兩個主要挑戰是量子態的連貫時間(coherent time)以及運算保真度(fidelity)的問題,這兩個問題在傳統二位元運算、儲存元件以前也碰過,但是在量子世界這兩個問題藕合成兩難困境的問題。簡單的說,量子態越穩定越不容易操作,越容易操作的量子位元越易受週遭環境的干擾。像NV diamond媕Y的量子態很不容易受環境影響,但是如何將兩個NV diamond做的量子位元量子纏繞(quantum entanglement)以構建量子閘(quantum gate)來執行量子計算就是極大的挑戰。

在半導體體制中這兩個問題有機會同時獲得解決。以CMOS來控制和操縱元件本來就是半導體的天經地義,問題是如何克服量子點或磷原子週遭矽環境帶來的擾動。幸好半導體產業極為成熟,譬如可以用同位素純化的矽晶,大幅降低Si29的含量以減少對量子位元的干擾。從目前的實驗數據來看,連貫時間與保真度都已比量子計算所需最低要求好上幾個階秩。超導體線路的量子計算機雖然先發,但是將來可以商業化且持續演進的,半導體量子位元機會大多了。

半導體與資通產業占台灣GDP 1/3左右,量子計算這個明日產業焦點的重要性不言而喻。要說的是量子計算雖然還是《Nature》、《Science》的科研熱門題目,但離商轉沒有想像中的遠。10幾年前我開始寫LED時,那時光的3原色還沒湊齊全呢!同年我又寫了OLED,現在都早已在顯示器的領域大放異彩。也是在10幾年前我介紹了MRAM,今年也進入半導體廠主流製程了!台灣要改善自己在產業中的地位,選定有限項目、及早投入是不二法門。

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。