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〈研之有物〉臺灣如何站穩量子科技浪潮?專訪「量子推動小組」執行長張文豪

中研院「研之有物」 2023-03-04 10:10

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中研院應科中心的張文豪特聘研究員,目前擔任量子系統推動小組執行長。 圖|研之有物
光量子與量子通訊的未來

量子科技腳步不遠了,臺灣甚至為此成立了「量子國家隊」。我們身處這轉變的時刻,應該先做好準備,了解量子科技究竟包含哪些部分,又會帶來哪些影響。中央研究院應用科學研究中心張文豪特聘研究員長期研究光量子技術,並擔任量子系統推動小組執行長。在這次中研院「研之有物」的訪談中,張文豪除了帶領我們認識光量子技術裡的關鍵外,也會談談量子國家隊在忙些什麼?能否在這股量子科技發展的浪潮中,帶領臺灣站穩腳步?


量子科技即將走入你我的生活。有一天,我們將打開以量子位元建構的量子電腦,透過量子演算法進行各種計算,並把資訊用量子傳輸的方式傳遞出去。這樣的日子可能不遠了~

為了因應量子科技時代的來臨,行政院去(2022)年 3 月宣布成立「量子國家隊」,由 17 個產學研團隊組成,包含了通用量子電腦硬體技術、光量子技術、量子軟體技術與應用開發這三大領域。同時亦成立「量子系統推動小組」進行跨部會整合,協助國家隊達成目標。

通用量子電腦硬體技術,是指開發以量子位元作為運算位元的量子電腦,在概念上接近一般電腦,有一個 CPU,有控制、讀取的晶片,可以透過程式設計得到你想做的計算。中研院的陳啟東研究員陳應誠研究員都是此領域的計畫主持人之一。

量子軟體技術與應用開發,顧名思義是軟體及演算法的開發,也包含未來量子電腦裡必須有的量子糾錯設計,以及量子計算的應用開發,如金融、製藥與材料開發等。中研院的鐘楷閔研究員是這領域的計畫主持人之一。

光量子技術,分為「光量子計算」與「量子通訊」。光量子計算是以光作為量子位元而設計的計算系統,而量子通訊則是以光的量子態來傳遞訊息。

中研院應科中心特聘研究員張文豪長期研究光量子技術,並擔任量子系統推動小組執行長。在這次「研之有物」的訪談中,張文豪深入淺出地介紹了光量子技術,也與我們分享了許多量子國家隊的願景。

在量子國家隊的三大領域中,您的專長在光量子計算與量子通訊。請問光量子計算與通用量子電腦有何不同?

光量子計算系統是針對特定問題而設計,當一個光量子系統設計好之後,由於光的晶片、路徑等都已經確定下來,無法中途改變,所以,它就只能對同一種問題做計算。光量子計算的困難在於光會跑,而且是用光速在跑,不會回頭。

也就是說,光子不會中途停止,一定會把整個計算做完。所以它跟一般的量子位元不一樣,一般的量子位元做完計算可以恢復原來的狀態。光子跑完就沒了,無法暫存,如果要重啟計算,要再給予新的光子。光量子計算對於一些傳統電腦難以解決問題,例如最佳化以及取樣的問題,有很大的幫助。

量子通訊用的也是光量子技術,它和現在以光纖傳輸資訊,有什麼不同?

過往的光通訊是用「有沒有光」來當 0 跟 1 兩種狀態,量子通訊則是用光的量子態來當 0 跟 1,把訊息全部都用量子態編碼,這就是量子通訊的基本概念。而量子通訊的好處是因為竊取的動作會干擾量子態,因此資訊不容易被竊取,或者說外人無法在不被發現的情況下竊取資訊。這種通訊方式可以透過量子的性質本身,來保護資訊安全。

量子加密的概念如上影片,Alice 要傳訊息給 Bob 之前,會先發送解密訊息的量子金鑰給 Bob,這個金鑰是由一顆顆光子構成,每顆光子都被賦予不同的偏振方向和順序。因為駭客無法與 Alice 逐個比對光子的偏振,竊取資訊時會干擾原本的量子態,導致接收端結果異常,Alice 和 Bob 會發現有人在竊聽。

意思是說,量子通訊的發展不是為了讓資訊傳輸得更快,而是為了更安全?

對,其實這也牽涉到量子電腦的發展。因為量子電腦的一個重點,就是可以破解現今最常使用的密碼系統 RSA(知名的非對稱加密演算法)。雖然量子電腦可能不會那麼快發展出來,可能還要再等幾十年,但仔細想想,有沒有什麼資料其實必須保密幾十年呢?

有心人士可以現在就先截取訊息,等幾十年後有了量子電腦再來進行破解。基於這個原因,量子通訊的加密技術必須走得比量子電腦更快才行。

量子通訊現在發展到什麼程度了?有什麼困難點?

在目前的各種量子技術中,量子通訊應該是發展最快的,它有一些難度,但沒有量子電腦那麼難。很好的量子通訊系統,要有好的單光子光源、高效率的偵測器,以及不會破壞量子態的傳輸通道。

好的單光子光源以及偵測器都不容易製作,但是因為量子通訊很重要,所以大家開始用替代的光源,比如把雷射光降到非常弱,弱到一次只會跑出一顆光子,偵測器的效率可能也只要六七成。這樣的話,儘管不是那麼完美,但還是可以得到量子通訊的好處。

傳輸通道則是另一個困難點。訊息在傳輸過程中會慢慢衰減,所以目前的光纖每隔一段距離都有放大器,但放大器卻會對量子訊號造成干擾。清華大學褚志崧副教授團隊,為量子國家隊光量子研究團隊之一,他們就在進行這方面的研究,透過推動小組協助與中華電信建立合作,接下來就要在新竹、楊梅之間找到一條沒有經過放大器的光纖進行長距離量子通訊測試。

還有一種發展趨勢,就是往天上走,以衛星或低軌衛星來做量子通訊,這也是另一個較不受干擾的做法。

清華大學褚志崧副教授(左1),在量子推動小組的協助整合下,預計在新竹、楊梅之間找到一條沒有經過放大器的光纖進行長距離量子通訊測試。 圖|工程科技推展中心
清華大學褚志崧副教授(左 1),在量子推動小組的協助整合下,預計在新竹、楊梅之間找到一條沒有經過放大器的光纖進行長距離量子通訊測試。 圖|工程科技推展中心
單光子光源的挑戰

量子通訊光源即便有點不盡完美,但仍可接受,不過光量子計算就不行了。光量子計算必須有良好的單光子光源及高效率的偵測器,才能正確地讓光子在系統中進行運算,並準確偵測輸出的結果。因此,「如何製造出好的單光子光源?」是張文豪以及其他光量子研究團隊的重要挑戰。

單光子光源指的是「一個時間點只會放出一個光子」的光源。從原理來說,這樣的光源是一個單一的二能階系統,也就是「基態—激發態」,當一個位於基態的電子獲得能量,躍遷到激發態,然後從激發態掉回基態時,就放出一顆特定波長的光子。

單光子光源是一個二能階系統,每次只能放出一顆光子。 圖|研之有物(資料來源|Scientific Reports)
單光子光源是一個二能階系統,每次只能放出一顆光子。 圖|研之有物(資料來源|Scientific Reports

在這樣的二能階系統中,只要有一顆電子躍遷到激發態,在它還沒掉回基態前,我們無法激發另一顆電子到激發態去,張文豪形容:「所以這就像捷運的閘門,前一個沒過去之前,後一個進不來。」也因為這樣的機制,每次就只能放出一顆光子。

那麼,要在哪裡找到這樣的二能階系統呢?科學家最一開始的想法是用「單一原子」,例如鈉原子。但要把單一個原子分離出來太困難了,所以到了公元 2000 年後,科學家轉而從半導體製程上,尋找製造出單光子光源的「人造系統」,而目前有兩種最主要的做法,一個是製造「量子點」,一個是製造「缺陷」。

量子點是利用半導體製程做出的一個小體積物體,通常是將兩種不同材料疊起,因為彼此間的應力而凸起成一個「島狀物」,外面再用另一種材料包覆。這個島狀物裡面會產生類似於原子的能階,所以也被稱為「人造原子」。

除此之外,在晶體中製造出某些特定的缺陷,也能達到單一光子源的效果。這類缺陷中最常見的就是鑽石裡的「NV center」,意思是在鑽石晶體結構中,其中一個碳由氮(N)取代,這個氮的隔壁又有一個碳被拿掉,出現一個空缺(Vacuum)。這樣的缺陷裡也會產生上述的二能階系統,可以如單一原子、量子點一樣,放出單光子。

在鑽石晶體結構中,原本都是碳原子,如果其中一個碳由氮(N)取代,這個氮的隔壁又有一個空缺(Vacuum),這樣的材料缺陷系統可以放出單光子。 圖|Quantum Beam Sci.
在鑽石晶體結構中,原本都是碳原子,如果其中一個碳由氮(N)取代,這個氮的隔壁又有一個空缺(Vacuum),這樣的材料缺陷系統可以放出單光子。 圖|Quantum Beam Sci.
是否可以比較量子點與材料缺陷這兩種做法,各有什麼優缺點?

目前為止做得最好的單光子光源其實是量子點,可以產生幾乎完美的單光子,但是它必須在低溫環境下才能運作。而材料缺陷則大部分可以在室溫下運作。

我們還必須考慮單光子光源所放出的光子,是否處於我們需要的波段。舉例來說,在目前的光纖裡,光波長約在 1310~1550 奈米,因為這是損耗很低的波段。而前述的鑽石 NV center 產生的光,則固定是 600 多奈米的紅光,波長還不夠貼近光纖傳輸波段。

現在有許多團隊,都在嘗試從鑽石裡製造出其他缺陷,以符合光纖傳輸的波段,也有人開始嘗試其他材料,例如被稱為第三代半導體的碳化矽。

單光子光源未來還會往哪個方向發展?理想的單光子光源是什麼樣子?

我們也希望單光子光源,可以用脈衝來激發,讓光子出現的時間差都是固定的。脈衝雷射激發是像機關槍一樣,一打開光子就以相同的間隔,源源不絕地出來。更理想的情況是,我們如果能把單光子光源做成電激發的元件,就可以在我想要有光子的時候,就打出一道脈衝,產生一個光子。

以目前的半導體製程,有成功做到過打一道脈衝、換一個光子的過程,但必須在低溫操作,效率也不理想。

您的研究團隊最近嘗試以二維材料製造單光子光源,這部分目前有什麼進展?

我們最近使用的二維材料是六方晶格的氮化硼(hBN),用來做室溫的單光子光源。氮化硼蠻有趣的,就像二維的鑽石,寬能隙又是絕緣體,不太和其他東西起作用,裡面的缺陷也會形成單光子。

我們幾年前跟台積電合作,用化學氣相沉積(CVD)做出晶圓尺寸的大面積氮化硼,並發表在《自然》Nature)期刊上。我們未來可以透過這技術進行「缺陷工程」,也就是控制在哪裡製造出缺陷,產生單光子輻射的陣列。例如用聚焦離子束打掉其中某些位置的原子.再透過熱處理修復。先破壞再建設,才能產生缺陷。這個技術以目前來說,還是很有挑戰性。

二維材料最近似乎有愈來愈火紅的趨勢?

在過往的傳統半導體研究中,往往將二維材料當成垃圾,不過現在,垃圾變成黃金了。以前這種材料是被用來當固態潤滑劑,因為層與層之間很容易剝落、滑動,根本沒甚麼用處。

但自從石墨烯出現之後,大家才意識到二維材料的好處,而且何必一定要用石墨烯?有一大堆半導體材料都是這樣一層一層的,把它們拿來做電子元件不是更好?所以現在很多人都在做二維半導體材料。

張文豪向研之有物團隊介紹單光子光源的測量方式。 圖|研之有物
張文豪向研之有物團隊介紹單光子光源的測量方式。 圖|研之有物
抓到了!真的是單一光子!

儘管有了製造單光子光源的方法,但該如何確認放射出來的是單一光子呢?

張文豪解釋,單光子的定義是同一時間點只放出一個光子,「所以是同一時間只有一顆,並不是真的只放出一顆。」換句話說,光子其實是像機關槍一樣,源源不絕地一直從光源放射出來的,而且每個光子之間的時間間隔也並不平均。

測量是否為單光子的方法稱為「HBT 實驗裝置」,包含一個分光鏡、兩個偵測器(D1 與 D2),以及一個可以決定要啟動計時或停止計時的計時器。

HBT 實驗裝置示意圖。 圖|研之有物
HBT 實驗裝置示意圖。 圖|研之有物

當每一個光子遇到分光鏡時,會隨機前往 D1 或 D2,如果 D1 偵測到光子,計時器就會開始計時;如果 D2 偵測到光子,則會停止計時。因為光子是隨機前往 D1 或 D2,所以每一次停止計時,可能測到是兩個、三個、或四個…… 不等的光子出發間隔時間。

如果有兩個光子是同時出發,且它們正好分別通過 D1、D2,那麼就會測到一組間隔時間為0的數據。所以相反的,如果測量出的結果中,完全沒有間隔時間為0的數據,就可以確認光源是單光子光源

HBT 裝置的量測數據示意圖,可以確認光源是否為單光子光源。如果兩光子的時間差(延遲時間)為 0 秒,符合計數也是 0,則可以確認該光源為單光子光源。 圖|研之有物(資料來源|科儀新知)
HBT 裝置的量測數據示意圖,可以確認光源是否為單光子光源。如果兩光子的時間差(延遲時間)為 0 秒,符合計數也是 0,則可以確認該光源為單光子光源。 圖|研之有物(資料來源|科儀新知

張文豪指出,HBT 實驗裝置要準確,也考驗兩個偵測器的敏銳度。「目前效率最好的是用超導體來做偵測器,不過這樣的話,偵測器也得在低溫環境。」

除了單光子光源與偵測器外,光量子計算還需要哪些相關的技術配合?

光量子計算還是必須在光量子晶片上運作,用的是積體光學,就像積體電路一樣,只是用波導取代電線、光子取代電子。這其中的製程必須讓光能在晶片裡前進、轉彎,做一些操作。中央大學陳彥宏特聘教授的團隊,是量子國家隊光量子研究團隊之一,主要工作就是開發光量子晶片

陳彥宏團隊所研發之光量子位元晶片 圖|陳彥宏
陳彥宏團隊所研發之光量子位元晶片 圖|陳彥宏
陳彥宏團隊預計於 2023 年開發能執行容錯式秀爾演算法之光學量子運算晶片。 圖|陳彥宏
陳彥宏團隊預計於 2023 年開發能執行容錯式秀爾演算法之光學量子運算晶片。 圖|陳彥宏
臺灣發展量子科技的前瞻性或潛力如何?我們有什麼優勢?

臺灣早期生產很多電腦,當時我們做的事情主要是零組件的開發、組裝,所以我常笑稱是一種「偽高科技組裝業」。可是臺灣現在已經不一樣了,臺灣從這個組裝業,慢慢掌握關鍵的製程,當產業供應鏈整個建構起來之後,現在變成了全世界很重要的製造中心。

如果未來量子電腦量產,臺灣絕不可能缺席,也不能缺席。為此,我們必須知道,從零到有把一臺量子電腦建構起來需要多少技術。這是一個龐大的系統工程,需要各種人才與技術。我們要知道每個技術細節,才會知道國內各研究單位、法人,以致於工研院、經濟部和產業界,各自可以扮演什麼角色。

成立國家隊來發展量子科技,是為了整合資源的考量?

因為我們的人力與資源都有限,所以必須透過整合的方式,各團隊做自己擅長的部分,再用系統整合把大系統建構起來。最重要的目的,是在每一個環節把技術與人才建立起來。

我們推動小組還找了中研院天文所的王明杰研究員來當總工程師,他負責連結各團隊的不同技術,橫向整合。為什麼找上天文背景的王明杰博士?這很有趣。

第一個原因在於王明杰是超導材料與偵測器的專家,因為天文觀測裡要偵測很微弱的訊號,他們必須要發展非常靈敏的偵測器。

第二個原因是,天文研究都是國際性的大團隊,例如蓋一座大型天文台,各國不同的單位個別負責開發部分技術且為了同一個目標努力,需要有總工程師來連結各團隊所開發的技術,透過系統工程變成最後的系統。做天文觀測的人比較有這樣跨團隊組大系統的經驗,所以我們就請他來協助。

量子科技現在還沒有發展出產業,培養出的人才怎麼辦?

量子科技並不是全新的技術,而是範圍很廣的跨領域技術,所以你學會了這些技術,仍然可以在現有的科技產業發揮所長。等到有一天公司需要投入量子科技的時候,儘管公司老闆可能沒有量子的知識和概念,但公司裡有這些背景知識的人才就可以立即參與。

所以人才是最重要的,我們必須現在就開始把量子的 DNA 植入產業界。如果等需求出現才開始培育人才,就來不及了。

中研院預計在南部院區建立量子研發基地,可否談談這部分的規劃?

我們預計在 2023 年下半年進駐南部院區的研究大樓 II,建置一些製程與量測的核心設施。此外,還會蓋一棟「量子實驗大樓」,主要做一些精密的量測,也包含一部分精密製程。

未來,這個量子研發基地將會是一個提供國內產學研單位進行量子科技研究的基地,所建置的核心設施也將開放給其他研究團隊進駐使用進行研發,有點類似國家同步輻射中心,透過建置一個大型的量子科技實驗場域,讓需要的國內外團隊共同使用。

這也是希望能橫向、縱向整合資源,不要重複投資。畢竟我們資源有限,應該集合大家的力量,攜手共同邁向臺灣量子新世代。

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臺灣如何站穩量子科技浪潮?專訪「量子推動小組」執行長張文豪

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