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半导体在量子计算时代可以做什么?

  • 林育中

量子计算议程出现在产业界年度盛会标志著此领域已逐渐从基础科学研究慢慢走向工程发展,而且产业化的考虑已进入视野。法新社

IEDM 2019新增了量子计算的议程,这是继去年Semicon Taiwan有单独的量子计算独立议程之后的产业界动量升级。量子计算议程出现在产业界年度盛会标志著此领域已逐渐从基础科学研究慢慢走向工程发展,而且产业化的考虑已进入视野。

量子计算机大致可以分为三大模块:量子位元板、控制板和低温系统。不是每一种量子位元技术都需要在20moK这样的极低温下操作,但是在发展初期,在4oK的低温下读取输出讯息仍然有助于大幅降低杂讯。量子位元板的发展目前仍然是以基础科研为主,控制板—控制和读取量子位元—乃至于量子计算机与传统计算机的界面衔接则已进入工程的领域,而这部分正是半导体的擅场。从量子位元板后面连接出的那些散漫导线,现在要开始慢慢收拾靠拢了。

此次议程发表了8篇论文,除了Google因才发表了其53位元的量子计算机外,有志于此的大公司以及主要的研究机构大概都到齐了。IEDM的一个主要乐趣是去窥测其所发表实质论文内容之后所隐藏的商业意图,read between lines。

让我最讶异的是Intel的论文,讲的是在极低温环境的wafer prober研发。Intel是半导体公司,对于量子位元技术当然倾向于其矽基(silicon-based)量子位元的发展,这点合情合理,善用Intel的半导体专长。最先开发的是用量子点当量子位元,困难在于要让多个量子点纠缠很困难,目前以光子传播(teleport)来实施量子点的远距纠缠也许是个解决方式,但这还是目前的研究议题。在量子位元的技术发展尚处于蒙昧阶段,却已一脚跨进较后阶段的量产机器设备研发—虽说这设备也有助于加速目前量子位元技术开发的进程,不能不说Intel对于矽基量子位元的信心以及投入都令人印象深刻。

IBM以及其学术合作机构提的论文题目是三五族的量子位元,是矽基技术的一种。IBM目前的量子位元技术是超导体,并且处于领先的地位。但是发表的论文却是矽基量子位元的成果,这是高科技公司的「保险」策略,就像NAND Flash公司在2D世代采取floating gate技术的较多,但是大部分公司也会有团队平行硏发charge trap技术;等到3D世代时,charge trap技术更适合3D结构的简化,大部分厂就自然的移向charge trap,因为内部的保险备用技术早已存在。

这个保险策略其实也显示矽基量子位元在长期发展的过程中可能享有后发的优势,特别是在位元数的增加以及量子位元板与其它半导体元件的集成这两点,矽基量子位元享有无可比拟的优势,这也是曾是半导体巨擘的IBM所深知的。

其它的公司、学术机构在量子计算之于半导体也大概承此思路。有的考虑两层以上量子位元板的垂直集成—这基本上是3D封装技术的另类应用。有的是考虑量子位元板与控制板之间的集成,这属于目前当红异构集成的范畴。即使是超导量子位元,也有其控制线路的接出问题,特别量子位元数大幅加之后,以半导体既有技术集成高密度量子位元外围是量子计算机迈向商业化系统集成的唯一解决方案。这也是量子计算出现在IEDM而且变成独立议程的主要原因。

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。