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量子信息的近程和远景(一):量子计算机的各种实现方法

  • 林育中
科学界和产业界不约而同大步开展量子信息硏究的步伐,以各种量子位元形成混搭的量子计算机可以预期。加州大学圣塔芭芭拉分校

量子信息最近的研究高潮迭起,先是有Bravyi et al于《Science》(注1)证明量子算法的优异性,接著Wehner et al也于《Science》(注2)预想了量子信息自最近的量子密钥配送(Quantum Key Distribution;QKD)至最终极的目标-量子计算-的6个步骤,科学界和产业界似乎都齐头大步开展研究的步伐。

这些发展的历程每个阶段需要克服的技术困难各异,但是全都与所采取的量子信息基础单元-量子位元(qubit)-有关。量子位元的构成物质基本上分两类:超导体与半导体。超导体是在极低温下超导的金属,它的量子位元可以用其电流、相位或磁通量(flux)表示。

与半导体相关的量子位元可以是光子或带电粒子:光子可以用其自旋、极化(polarization)或其路径表达量子位元。由于光子的产生是由量子点或半导体雷射,因此光子也被归类在广泛的半导体范畴。带电粒子可以是电子、离子、原子等物质,一般的选择是以带电粒子的自旋来表达量子位元,但也有其它的方法构成量子位元,譬如微软(Microsoft)用准粒子(quasi-particle)任意子(anyon)来构成量子位元。

量子计算就是用量子闸极(quantum gate)、量子存储器(quantum memory)对这些量子位元施加的运行、储存,主要是使各量子位元间产生干涉(interference)或纠缠(entanglement)。

最早发展的量子位元是捕获离子(trapped ion),是无线电频率陷阱捕获离子、用雷射控制离子集体行动来操作量子运算。它较稳定,量子闸极的保真度(fidelity)最高,能同时纠缠的量子位元也最多;但是运算速度慢,也需要额外的雷射来操作。

超导体的量子位元运算速度快,也可以加诸于现在半导体技术之上;但它的量子态容易崩溃(collapse),因此需要维持极低温的环境。现在达到「量子霸权」起码量子位元数的几家公司-譬如Google与IBM-的量子计算机都是用超导体的技术。

量子点的量子状态还算稳定,它的最大好处是建立于现在的半导体技术之上,因此它的可扩展性(scalability)-量子位元可以大量制造-最高。这个是半导体业最想看到的方法,英特尔(Intel)就是采取这方法,这也与台湾的核心能力较接近。但是量子点目前只有办法做到2个量子位元的量子纠缠,也需要在极低温下运行。

任意子是在半导体上通道上因电子路径编辫(braiding)形成的准粒子,与目前时兴的许多拓朴物质相似,这个准粒子的存在受拓朴保护,所以这准粒子的退相干时间(decoherence time)-维持量子态间相干的时间-比较长,相对稳定。这是微软近年才展示的新量子位元型态,发展还有待迎头赶上。

纳米钻石(nano diamond)中的氮空缺(nitrogen vacancy)利用氮原子中的电子和电洞所形成的能阶来当成量子位元,它的量子状态非常稳定,可以在室温下操作。但是它和其它种类的量子位元都面临一个共同的两难问题:稳定的不容易操作,容易操作的不稳定、退相干时间短。纳米钻石氮空缺所做的量子位元由于碳分子将量子位元周遭的噪音隔绝的太好了,使得要让量子位元之间纠缠也很不容易。

这些不同材质的量子位元技术发展现在正各自发展,共同的基础是半导体技术,连表面上离半导体最远的超导体方法,也叫做circuit-based superconductivity,与台湾的核心能力密切相关,也是台湾可以入手著力之处。

这些量子位元有的运算比较快,有的退相干时间比较长,性质好似光谱一字排开。从传统半导体学到的经验是有些量子位元可以当成CPU中的cache,有些可以当成DRAM,还有些可以当成NAND,形成类似现今半导体的记忆储存体制,所以在可见的未来,以各种量子位元形成混搭的量子计算机也是可以预期的!

注1:“Quantum advantage with shallow circuits”, Sergey Bravyi, David Gosset, Robert Konig, Science 362, 308 (2018)

注2:“Quantum internet:A vision for the road ahead”, Stephanie Wehner, David Elkouss, Ronald Hanson Science 362, 303 (2018).

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。