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量子点与量子计算机

  • 林育中
量子点可见的应用包括晶体管、太阳能电池、显示器、医疗影像,以及量子计算机的量子位元上。(图片来源:Antipoff)

量子点(quantum dot)将电子与电洞局限在极小的物质中-通常只有几nm-因而产生可以控制的光、电、自旋等性质,通常这些性质与量子点的尺寸、形状和材料有关。它的材料通常是半导体,譬如硫化镉、硫化铅等,因此有依赖成熟的半导体生产体制快速进入量产的潜力。目前它可见的应用包括晶体管、太阳能电池、显示器、医疗影像等。最近几年内,它又被用在量子计算机的量子位元上。

量子位元是量子计算机运算和储存的基本单元,元件构成物质的提议包括光子、被困离子(trapped ion)、超导体线路、氮-空缺钻石(Nitrogen-Vacancy diamond;NV diamond)、矽中的磷原子、量子点等,其中矽中的磷原子与量子点是与现存半导体技术最贴近的构想。这几种量子位元设计除了超导体线路比较有弹性外,其它的都是以元件中的光子、电子或原子的自旋当成量子态的代表来执行量子计算和储存。但是量子态很容易受热扰动及其它因素影响,所以目前量子计算机都需要在极低温下运行,通常在100m°K以下,接近绝对零度。

量子计算和量子位元两个主要挑战是量子态的连贯时间(coherent time)以及运算保真度(fidelity)的问题,这两个问题在传统二位元运算、储存元件以前也碰过,但是在量子世界这两个问题藕合成两难困境的问题。简单的说,量子态越稳定越不容易操作,越容易操作的量子位元越易受周遭环境的干扰。像NV diamond里头的量子态很不容易受环境影响,但是如何将两个NV diamond做的量子位元量子缠绕(quantum entanglement)以构建量子闸(quantum gate)来执行量子计算就是极大的挑战。

在半导体体制中这两个问题有机会同时获得解决。以CMOS来控制和操纵元件本来就是半导体的天经地义,问题是如何克服量子点或磷原子周遭矽环境带来的扰动。幸好半导体产业极为成熟,譬如可以用同位素纯化的矽晶,大幅降低Si29的含量以减少对量子位元的干扰。从目前的实验数据来看,连贯时间与保真度都已比量子计算所需最低要求好上几个阶秩。超导体线路的量子计算机虽然先发,但是将来可以商业化且持续演进的,半导体量子位元机会大多了。

半导体与资通产业占台湾GDP 1/3左右,量子计算这个明日产业焦点的重要性不言而喻。要说的是量子计算虽然还是《Nature》、《Science》的科研热门题目,但离商转没有想象中的远。10几年前我开始写LED时,那时光的3原色还没凑齐全呢!同年我又写了OLED,现在都早已在显示器的领域大放异彩。也是在10几年前我介绍了MRAM,今年也进入半导体厂主流制程了!台湾要改善自己在产业中的地位,选定有限项目、及早投入是不二法门。

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。