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量子位元的选择:半导体产业的观点

  • 林育中

5G通讯的应用,让矽光子技术快速发展。法新社

目前量子计算技术利用2个量子状态来叠加及纠缠,用以执行以量子点为基础的运算,因此只要物质的物理性质具有二能阶系统(2-level system),都有可能成为量子位元的制作材料。

量子系统构成有DiVincenzo's criteria的要求,其中有5项和量子计算有关:可扩充性(scalability)、可以将量子位元准备成简单基准状态(simple fiducial state)、长相关退相干时间(long relevant decoherence time)、普适的量子闸(universal quantum gate)与量测量子点状态的能力。其中可扩充性被列为第一要求,这也是半导体产业的核心价值。小数量的量子位元充其量是科普玩具,不能持续进展的技术就不是高科技。

现在有几种竞争的量子位元技术,包括超导体、离子陷阱(trapped ion)、纳米金钢石氮空缺(nano-diamond nitrogen vacancy)、拓朴量子位元、量子点、光子、核磁共振(NMR)等技术。其中超导体和离子陷阱技术目前发展较为领先。

超导体可以用电荷、相位和磁通量三种方式来形成量子位元,目前普遍用电荷(叫transmon)的方式,IBM与Google的53位元量子计算机皆采取此种技术。它的退相干时间约600us,需在极低温20mK环境下操作。超导体的材料一般用溅射沈积或蒸镀的铝,虽然也算是半导体制程,但是超导量子位元形成的是宏观(macroscopic)的量子态,一个量子位元线路尺寸在几微米以上。

目前超导量子位元的控制和读取都是单独引线出来,媒体上看到布线杂乱量子计算机的内里就是这些联机,量子位元再多,用接线的方法就不行了。虽然学界为超导体量子计算机发展出一科专门学问叫做线路量子电动力学(circuit QED),但是由于基础的量子位元体积较大,要藉半导体技术来支撑其可扩充性挑战性很高。

离子陷阱利用振荡无线电波所形成的位势限制数个离子-譬如Ca+或Yb+-排列成一直线。它的退相干时间可长达600s,但量子闸的运行很慢。控制量子位元可以用微波或可见光,读取则用雷射,运行保真度(fidelity)很高。前一阵子宣布在量子体积(总体量子计算能力)此一参数将超前目前所有量子计算机的Honeywell就是采取这种技术,其它还有IonQ和NIST等机构。

最近将离子陷阱制作在矽晶上的尝试初步算是成功,但是一个离子陷阱大概只能容纳十数个离子,要形成大的量子位元数大概得以模块的方式来构成。而模块与模块之间的纠缠需要另有通道,譬如以光子来纠缠两个量子位元模块,这是连现在半导体都还没实施的技术。

纳米金钢石氮空缺将一个电子加入空缺之中,形成一个自旋s=1的量子态,藉著旋转、纠缠此一自旋以操作量子位元。它的退相干时间也长,达60s,最重要的是它可以在室温下操作,听起来极端诱人。但是稳定的东西就难以操作,更麻烦的是晶格缺陷发生的程序是随机的,要紧密排列氮空缺需要原子工程(atomic engineering),难度很髙,这是量子位元数可扩充性的大蔽障。

拓朴量子位元利用超导体和其它材料界面中准粒子(quasi-particle)-任意子(anyon)-的相位当成量子位元。因为任意子的存在具有拓朴性质,其量子位元的准备、存在、操作受拓朴保护,使得保真度大幅提高。现在因为保真度不够高而衍生的量子纠错码(QECC;Quantum Error Correction Code)问题得以迎刃而解。可惜它的存在还在努力证明之中,遑论应用。

矽基(silicon-based)的量子位元有下列几种:NMR、量子点和光子。NMR是指将有核自旋的原子,譬如31P或123Sb,植入矽晶圆中,以自旋的上、下当成量子位元能态,操控自旋的方法是用典型的NMR。但是磁场在半导体元件上的应用碍手碍脚的,因为磁场无法被限制在局部,对周遭的元件会有外溢的效应。最近的进展是用核电共振(NER;Nuclear Electric Resonance)来控制植入矽晶的123Sb原子。由于是电场,可以用CMOS来建立,这是半导体熟悉的技术。剩下的问题之一是要纯化矽晶。28Si只占天然矽原子92%的丰度,其余的同位素有净核自旋,会成为量子位元的环境杂讯。

量子点是半导体娴熟的技术,因此Intel以此技术切入量子计算。量子点可以用于其中电子自旋的方向或电荷的有无当成量子状态。量子点的尺寸才50nm,制作并不困难,可扩充性也很髙,比较大的挑战是让两个量子点的量子位元纠缠不易,到现在只能展示2个量子位元的纠缠。

最后是以光子当成量子位元。光子可以用来当成量子状态的有三个性质:其自旋、偏极化(polarization)和路径(path)。路径是指光子经光子分离器(photon splitter)后因为量子机率的特性可能由不同方向行进,特别是在量子通讯和量子计算中的光源都是单光子。单一光子采路径A就不会再走路径B,反之亦然。然而在未量测之前我们无由得知光子采取那一个路径,这就是两种状态的叠加。

由于5G通信的应用,矽光子的技术发展迅速。矽光子与光子量子计算所用的调制器(modulator)有很多技术可以相通的。譬如刚刚发表的在SiN加一层WS2可以大幅减少波导在红外区域的光子损失,此一结果对矽光子和光子量子计算都同样适用。由于对矽光子的发展有高度的期待,光子的退相干时间又很长,而以光子路径为量子状态的量子计算机在测量前可以在室温进行,许多人对它深寄期望。

前几天有一家量子计算机公司PsiQuantum成功募集2.15亿美元,宣称要在数年内完成百万量子位元级的量子计算机,目前在GlobalFoundries下片做矽光子元件,这个宣称的时程比全世界任何一家公司至少快5年以上。有趣的是这家公司创办人之一Prof. Terry Rudolph正是量子力学大宗师薛汀格的外孙。子孙能不能克绍箕裘?敬请拭目以待。

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。