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量子位元的种类-兼论量子政策

  • 林育中

虽然IBM与Google持续研发量子计算机,但是量子计算机离实用的地步还远。IBM

量子位元是量子计算及量子通信最基础的单位,它的工作原理决定了量子位元以及操作的特性,也决定了外围元件的技术以及未来发展的限制。目前候选的种类众多,在有限的人力及经费资源下,选择成功机率大的技术路径、集中资源投入选定方向是小经济体最重要的课题。

量子位元的准备、运行、储存等面临许多挑战,在刚开始最重要的挑战是相关时间(coherence time)与可操作性,长远的来讲还有可扩展性(scalability)。相关时间粗略的来讲是组成量子位元的量子状态可以维持多久?量子状态受周遭环境的影响,譬如热扰动、电磁场、自旋等影响,很容易受到干扰,产生错误。量子状态需要准备、计算、最后测量,这些运行都需要时间,需要在量子状态崩溃以前完成,这与量子位元的组成材质息息相关。

因为量子位元需要被运行,可操作性当然也是重要的特性。但是这也形成在半导体存储器也曾有过的两难:记忆久的读写难、读写容易的记不久,所以在半导体行之已久的存储器体制(memory hierarchy)也有可能在量子计算中形成:有些种类量子位元用来做运算,有些种类量子位元用来做储存。

可扩展性是量子计算的远景考量。虽说上个月IBM与Google陆续有消息做出超出50个量子位元的量子计算机,达到所谓「量子霸权」的地步—对有些特定的问题,量子计算机的计算速度为传统计算机所远不能及,但是量子计算机离实用的地步还远。要用量子计算机解决真实的问题,目前估计至少要数千个量子位元。而以目前的处理技术,这可能需要数以百万计的量子位元来做量子纠误编码(Quantum Error Correction Code;QECC),所以到未来之路,量子位元数目及结构的扩展是必经之路。

量子位元基本上需要至少两个量子状态系统(two-level system;二阶系统),常用的工具有粒子(电子、光子、原子核等)的自旋上或下、系统的量子态(譬如离子陷阱的声子态)、光子的偏极化、光子的路径、磁通量的正负、系统的相位、系统电荷的有无等,预期还有更多的物理性质可以用来做二阶系统。

目前发展进度最快的是利用超导体的电荷(transmon),已经做出来高量子位元数的量子计算机都是采用此一机制。超导体还可以利用磁通量(flux)或相位(phase)组成量子位元。但是超导体需要极低温—这不算大缺陷,其它绝大部分的量子位元也都需要极低温来降低环境中的杂讯干扰,另外超导体的可扩展性比较受到质疑。

另一大类是矽基(silicon-based)的量子位元,包括用量子点(quantum dot)其中的电子自旋方向或电子的有无来形成二阶状态、用矽晶上植入之 中电子自旋形成二阶状态等。这类量子位元在制造时并不十分困难,但是量子位元放置在矽中,杂讯甚多。更困难的是将量子位元彼此纠缠,目前能纠缠的量子位元数极少。没有纠缠和叠加,就没有量子计算的威力。

这个方向的研发极具魅力,主要是在可扩展性。半导体技术毕竟发展了60年,微缩技术成熟。一旦解决杂讯和纠缠问题,量子位元数可能急速攀升。另外,量子计算机中也有传统的外围控制线路,矽基量子位元与外围控制线路容易集成自不待言。

再一个大族群是用光子当量子位元。光子可以当量子位元的性质有自旋、偏极化(polarization)和路径(path)。光子通常用在量子通讯上,可以在空气中或光纤中传递。用光子当量子位元计算也不少见,也有特殊的吸引力。第一是矽光子(silicon photonics)的发展,矽光子因5G的布建成为半导体技术的焦点,明年异构集成技术路标就是要将矽光子芯片集成入异构封装。

矽光子技术的迅速发展可以外溢到矽基光子量子位元的发展上,特别是调制器(modulator)颇有综效。另外,如果我们只采用光子路径当量子位元状态,这性质很耐干扰,有机会不用低温。再者,做光子量子计算对于量子通讯技术发展也有帮助,而量子通信是未来社会的骨干。将来没有量子通讯,没人敢跟你互联网络

当然除了这三类外,还有核磁共振(NMR)、离子陷阱(trapped ion)、纳米钻石氮缺陷(nano-diamond nitrogen vacancy)、光晶格(optical lattice)、Majorana费米子等候选材料、机制。但是对于台湾的经济体量,我的个人选择是矽基和光子量子位元,另外再加量子算法和外围控制线路。这样我们会有稍高的出线机率。即便是终将未能成为量子位元的领先群,但是在应用和系统制造上也有重要的比例!

现为DIGITIMES顾问,1988年获物理学博士学位,任教于中央大学,后转往科技产业发展。曾任茂德科技董事及副总、普天茂德科技总经理、康帝科技总经理等职位。曾于 Taiwan Semicon 任咨询委员,主持黄光论坛。2001~2002 获选为台湾半导体产业协会监事、监事长。现在于台大物理系访问研究,主要研究领域为自旋电子学相关物质及机制的基础研究。