矽光子与量子通讯－兼论产业发展政策的综效

日本政府制定后摩尔定律时代半导体发展的方向有三，MRAM、矽光子以及量子电脑。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。用量子电脑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、量子通讯以及量子传感(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信号直接导入芯片之中，减少以前将光信号转换成电信号后再以电信号传递，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。因此矽光子尽量整合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，因此雷射光源整合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信号则相对简单，用光子倍增器二极管(photon multiplier diode)即可，就是把光信号放大。

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，这很容易整合入矽芯片中。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。