量子點與量子電腦

量子點(quantum dot)將電子與電洞局限在極小的物質中－通常只有幾nm－因而產生可以控制的光、電、自旋等性質，通常這些性質與量子點的尺寸、形狀和材料有關。它的材料通常是半導體，譬如硫化鎘、硫化鉛等，因此有依賴成熟的半導體生產體制快速進入量產的潛力。目前它可見的應用包括電晶體、太陽能電池、顯示器、醫療影像等。最近幾年內，它又被用在量子計算機的量子位元上。

量子位元是量子計算機運算和儲存的基本單元，元件構成物質的提議包括光子、被困離子(trapped ion)、超導體線路、氮－空缺鑽石(Nitrogen-Vacancy diamond；NV diamond)、矽中的磷原子、量子點等，其中矽中的磷原子與量子點是與現存半導體技術最貼近的構想。這幾種量子位元設計除了超導體線路比較有彈性外，其他的都是以元件中的光子、電子或原子的自旋當成量子態的代表來執行量子計算和儲存。但是量子態很容易受熱擾動及其它因素影響，所以目前量子計算機都需要在極低溫下運作，通常在100m°K以下，接近絕對零度。

量子計算和量子位元兩個主要挑戰是量子態的連貫時間(coherent time)以及運算保真度(fidelity)的問題，這兩個問題在傳統二位元運算、儲存元件以前也碰過，但是在量子世界這兩個問題藕合成兩難困境的問題。簡單的說，量子態越穩定越不容易操作，越容易操作的量子位元越易受週遭環境的干擾。像NV diamond裏頭的量子態很不容易受環境影響，但是如何將兩個NV diamond做的量子位元量子纏繞(quantum entanglement)以構建量子閘(quantum gate)來執行量子計算就是極大的挑戰。

在半導體體制中這兩個問題有機會同時獲得解決。以CMOS來控制和操縱元件本來就是半導體的天經地義，問題是如何克服量子點或磷原子週遭矽環境帶來的擾動。幸好半導體產業極為成熟，譬如可以用同位素純化的矽晶，大幅降低Si29的含量以減少對量子位元的干擾。從目前的實驗數據來看，連貫時間與保真度都已比量子計算所需最低要求好上幾個階秩。超導體線路的量子計算機雖然先發，但是將來可以商業化且持續演進的，半導體量子位元機會大多了。

半導體與資通產業占台灣GDP 1/3左右，量子計算這個明日產業焦點的重要性不言而喻。要說的是量子計算雖然還是《Nature》、《Science》的科研熱門題目，但離商轉沒有想像中的遠。10幾年前我開始寫LED時，那時光的3原色還沒湊齊全呢！同年我又寫了OLED，現在都早已在顯示器的領域大放異彩。也是在10幾年前我介紹了MRAM，今年也進入半導體廠主流製程了！台灣要改善自己在產業中的地位，選定有限項目、及早投入是不二法門。