量子位元的种类－兼论量子政策

量子位元是量子计算及量子通信最基础的单位，它的工作原理决定了量子位元以及操作的特性，也决定了周边元件的技术以及未来发展的限制。目前候选的种类众多，在有限的人力及经费资源下，选择成功机率大的技术路径、集中资源投入选定方向是小经济体最重要的课题。

量子位元的准备、运作、储存等面临许多挑战，在刚开始最重要的挑战是相关时间(coherence time)与可操作性，长远的来讲还有可扩展性(scalability)。相关时间粗略的来讲是组成量子位元的量子状态可以维持多久？量子状态受周遭环境的影响，譬如热扰动、电磁场、自旋等影响，很容易受到干扰，产生错误。量子状态需要准备、计算、最后测量，这些运作都需要时间，需要在量子状态崩溃以前完成，这与量子位元的组成材质息息相关。

因为量子位元需要被运作，可操作性当然也是重要的特性。但是这也形成在半导体存储器也曾有过的两难：记忆久的读写难、读写容易的记不久，所以在半导体行之已久的存储器体制(memory hierarchy)也有可能在量子计算中形成：有些种类量子位元用来做运算，有些种类量子位元用来做储存。

可扩展性是量子计算的远景考量。虽说上个月IBM与Google陆续有消息做出超出50个量子位元的量子电脑，达到所谓「量子霸权」的地步—对有些特定的问题，量子电脑的计算速度为传统电脑所远不能及，但是量子电脑离实用的地步还远。要用量子电脑解决真实的问题，目前估计至少要数千个量子位元。而以目前的处理技术，这可能需要数以百万计的量子位元来做量子纠误编码(Quantum Error Correction Code；QECC)，所以到未来之路，量子位元数目及结构的扩展是必经之路。

量子位元基本上需要至少两个量子状态系统(two-level system；二阶系统)，常用的工具有粒子(电子、光子、原子核等)的自旋上或下、系统的量子态(譬如离子陷阱的声子态)、光子的偏极化、光子的路径、磁通量的正负、系统的相位、系统电荷的有无等，预期还有更多的物理性质可以用来做二阶系统。

目前发展进度最快的是利用超导体的电荷(transmon)，已经做出来高量子位元数的量子电脑都是采用此一机制。超导体还可以利用磁通量(flux)或相位(phase)组成量子位元。但是超导体需要极低温—这不算大缺陷，其他绝大部分的量子位元也都需要极低温来降低环境中的杂讯干扰，另外超导体的可扩展性比较受到质疑。

另一大类是矽基(silicon-based)的量子位元，包括用量子点(quantum dot)其中的电子自旋方向或电子的有无来形成二阶状态、用矽晶上植入之 中电子自旋形成二阶状态等。这类量子位元在制造时并不十分困难，但是量子位元放置在矽中，杂讯甚多。更困难的是将量子位元彼此纠缠，目前能纠缠的量子位元数极少。没有纠缠和叠加，就没有量子计算的威力。

这个方向的研发极具魅力，主要是在可扩展性。半导体技术毕竟发展了60年，微缩技术成熟。一旦解决杂讯和纠缠问题，量子位元数可能急速攀升。另外，量子计算机中也有传统的周边控制线路，矽基量子位元与周边控制线路容易整合自不待言。

再一个大族群是用光子当量子位元。光子可以当量子位元的性质有自旋、偏极化(polarization)和路径(path)。光子通常用在量子通讯上，可以在空气中或光纤中传递。用光子当量子位元计算也不少见，也有特殊的吸引力。第一是矽光子(silicon photonics)的发展，矽光子因5G的布建成为半导体技术的焦点，明年异构整合技术路标就是要将矽光子芯片整合入异构封装。

矽光子技术的迅速发展可以外溢到矽基光子量子位元的发展上，特别是调制器(modulator)颇有综效。另外，如果我们只采用光子路径当量子位元状态，这性质很耐干扰，有机会不用低温。再者，做光子量子计算对于量子通讯技术发展也有帮助，而量子通信是未来社会的骨干。将来没有量子通讯，没人敢跟你互联网络

当然除了这三类外，还有核磁共振(NMR)、离子陷阱(trapped ion)、纳米钻石氮缺陷(nano-diamond nitrogen vacancy)、光晶格(optical lattice)、Majorana费米子等候选材料、机制。但是对于台湾的经济体量，我的个人选择是矽基和光子量子位元，另外再加量子演算法和周边控制线路。这样我们会有稍高的出线机率。即便是终将未能成为量子位元的领先群，但是在应用和系统制造上也有重要的比例！