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台湾发展量子计算产业的策略

  • 林育中

Chiplet可能是台湾切入量子计算机的其中一条道路。法新社

从事量子计算研发的人大概都会谦逊的说真实的应用是decades away。对于通用容误量子计算机(universal fault-tolerant quantum computer),这也许是真实的陈述;但是许多量子启发(quantum-inspired)的应用早已先后出炉,半导体产业的年度盛事2019 IEDM亦将量子计算首次纳入独立议程。如果说通用容误量子计算机的商业化还早,量子计算产业化及应用的路途已悠然开展。

量子计算机的几个主要模块是量子位元板(qubit board)、控制板(control board)、低温模块与传统计算机界面(未来的计算机预计是传统计算机与量子计算机混用)。

量子位元板是目前研发技术的核心,量子位元的种类繁多,去年美国国家研究院在其年度报告中排列的三个前景较为清晰的量子位元技术,依次是离子陷阱(trapped ion)、超导体与光子,虽然去年下半超导体量子位元明显的取得较大进展。量子位元板主要的发展方向除了量子位元种类的创造与选择外,主要的挑战为延长量子位元的退相干(decoherence)时间以及提高其保真度(fidelity),增加量子位元数的目标还在其次。

台湾于此一犹处于方向发散的次领域不可能全面涵盖,只能选择与自己强项相关的—矽基(silicon-based)量子位元,譬如量子点或光子(与矽光子技术密切相关)量子位元。除了对量子点技术的发展外,另外重要的目标是开发量子点与其它模块的接口集成技术及标准,这是系统工程重要能力的一环。

控制板的两大功能是操作及读取(readout)量子位元。这部分元件未必是半导体传统元件,譬如超导体量子位元的Josephson junction、或者是离子陷阱用来限制离子的微波、又或降温的雷射,这些元件目前也有直接装设在量子位元板上以就近控制,量子位元操作结果也有用光纤引至另处读取的。

在量子位元数增加至可以有实际应用的数量后,可以想象的目前以「科学仪器」方式建造的结构很难支持一个商用机器的建造、运行以及维修。这些非传统半导体元件追根究柢也需要半导体线路来控制其运行,所以量子位元数的成长—即使不是矽基量子位元的量子计算机,也需要靠半导体的微缩和集成来完成系统集成。

这部分的技术是台湾的强项,由此切入量子计算机的新兴领域比由量子位元切人更顺势。目前可以想见相关的技术包括chiplet(量子位元先以较小数量位元集成成一模块,多模块再集成成量子位元板)、3D封装(量子位元板的上下堆叠)、异构集成(量子位元板与控制板上下堆叠的异构集成)、矽光子(当成光子量子位元以及量子位元模块之间的远距纠纒、传输)等。这些技术都是超越摩尔定律世代的新技术,有的正在发展之中。

应用这些技术于量子计算机的系统集成之上需要特化,譬如用于量子计算机的3D封装与异构集成需要考虑极低温下的半导体元件运行与巨大温度梯度下的应力;光子量子位元所需要的光源是单光子(single photon),而不是一般矽光子所常见的InP雷射,传感器也是针对单光子,而且侦测环境是4oK,以减少杂讯。这些都是目前半导体技术发展的方向,却需要特化以导入量子计算机的应用。

量子计算机目前是世界各国尖端技术的竞争领域之一,台湾因为有半导体的基底亦有机会享有一席之地,然而由一类群技术要转换成一个产业是需要策略的。首先是教育与师资,美国的国策甚至要将量子教育推进至中、小学—小时候学的才会变成本能。

再来是应用。虽然目前离通用容误量子计算机的年代尚有一段时日,但是有一些量子启发的特殊设备如量子退火(quantum annealer)与数码退火(digital annealer)等已有能力使用数千拟似量子位元的优化(optimization)计算。量子计算预期未来的主要应用领域有3:物质科学(含制药、化学与材料)、机器学习与金融,其中许多牵涉到优化的问题可以在不久的未来于这些量子启发的专用机器上实际解决。一个新技术能有实际的应用时才能得到社会其它环节的正面回应,在其发展中不断挹注资源。在AI产业出现过数次的「AI寒冬」才不会于量子计算产业出现。

最后是要擅于搭便车。其它产业已有市场驱动力的技术可以用搭便车、用其技术或市场,譬如5G应用所驱动的矽光子、后摩尔定律半导体的异构集成以及机器学习等,这些技术与市场都因其应用市场已投入大量资源。台湾的经济体量小,可支配资源较少。搭这些新兴技术与市场的便车也可以有效的加大台湾量子计算的投入。

我偶而这样想:20几年前台湾也不会自己设计、制作计算机的核心CPU,但我们仍然成为计算机及服务器的最大产地,靠的是完整的外围工业体系,极适合系统集成。现在量子计算机我们又面临类似的处境,量子位元板的发展我们是后进,然而其它的环节台湾还算整齐。我们能不能复制传统计算机世代的成功故事呢?

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。