Reserch
活动+

矽光子与量子通讯-兼论产业发展政策的综效

  • 林育中
矽光子与量子通讯的发展虽然表面上应用差距很大,但是底层技术却是息息相关。Joint Quantum Institute

日本政府制定后摩尔定律时代半导体发展的方向有三,MRAM、矽光子以及量子计算机。这3个方向有一些共同的特点:一为都需要新材料,而材料产业正是日本的强项;二是这些元件目前毋需先进的半导体制程,所以发展新元件时毋需先追赶已然落后的半导体制程;三为这些元件都适用于不久之后即将到来的高速安全通讯及计算。所以在制定策略时还有各领域发展的综效。

更精细的联结隐藏在矽光子与量子通讯之间。用量子计算机为名其实只是个概念性的通称,量子信息(quantum information)才是全称,它包括了量子计算、量子通讯以及量子感测(quantum sensing)。矽光子与量子通讯和量子计算的发展虽然表面上应用差距很大,但是底层的技术却是息息相关。

矽光子与量子通讯都是光通讯的应用,但二者在技术的要求有所不同。一般矽光子的想法是,要尽量将长距离的光通讯讯号直接导入芯片之中,减少以前将光讯号转换成电讯号后再以电讯号传递,所产生的能耗以及速度下降,能耗以及速度下降正是大量、高速通讯的罩门。因此矽光子尽量集成以前离散的光器件进入芯片。

在这个想法上,矽光子与量子通讯的要求是相同的。但是以前的矽光子由于是比较针对传统的光通讯,光源强度越高越好,因此光源需要是雷射。但是由于矽的材料特性-间接带隙(indirect band gap)-它无法产生雷射光,因此雷射光源集成进矽芯片中到目前一直都是个难题。至于在矽光子中侦测光讯号则相对简单,用光子倍增器二极管(photon multiplier diode)即可,就是把光讯号放大。

量子通讯也是光通讯,所以所用元件大致也分为光源、调制器(modulator)和侦测器三部份,但是量子通讯要利用的是光子的量子性质,所以光源利用的是单一光子。要在矽上产生单一光子容易多了,可以用量子点,这很容易集成入矽芯片中。但侦测单一光子的量子性质难多了,无法用光子倍增器二极管测量,必须用在极低温(2度K)的超导纳米线单光子侦测器(Superconducting Nanowire Single Photon Detector;SNSPD),可能在短期的未来量子通讯与量子计算一样,都需要维持在极低温下操作。

即使在光源与侦测器上矽光子与量子通讯有很大的差异,但是在两者之间种类繁复的调制器元件上二者相似的地方甚多,可以相互发明,这是在技术发展过程中可以产生综效之处。另外,在市场上矽光子与量子通讯可能是殊途同归,现在光通讯以矽光子技术减少能耗与加快速度,再加上安全的要求后,二者就合而为一了。这也可以看到日本政府制定后摩尔定律产业发展政策时的精细用心。

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。