量子点与量子电脑

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，其他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作，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，但离商转没有想像中的远。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。