量子光電晶片將延續臺灣半導體晶片的榮耀-工程技術

光子量子位元可在室溫工作、不需真空環境、可直接與光纖網路連結、可積體性等特性，是目前量子電腦最可能晶片化的技術之一。

科技部補助的「矽基量子 ... 跳到主要內容區塊 生命科學 人文社會 工程技術 自然科學 電子報 量子光電晶片將延續臺灣半導體晶片的榮耀 :::首頁/工程技術/量子光電晶片將延續臺灣半導體晶片的榮耀 作者陳彥宏 簡介陳彥宏教授於1999年取得國立清華大學的博士學位，現為國立中央大學光電科學與工程學系教授，並相繼擔任副系主任、系主任及特聘教授等，現亦為中華民國光電學會理事。

專長在非線性光學、積體光電波導元件、積體量子光路元件、積體微晶片雷射、非線性光子晶體等領域。

單位國立中央大學 標籤 量子光電晶片 量子電腦 積體光路 積體電路 分享文章 基於國際授權條款4.0，您可免費分享此篇文章 工程技術 圖文 2021年12月10日 　　半導體科技產業靠著研發精微輕薄的積體電路（IC）晶片不僅在臺灣，也在全世界寫下人類科技史上輝煌的一頁。

然而，人類高度文明的發展卻也帶來天文數字級的數位資訊處理量（即大數據時代），嚴峻地考驗著面臨摩爾定律極限的半導體積體電路晶片技術，使其難以有效推展。

量子電腦以其獨特的疊加與糾纏等奧妙的量子現象，能以超快的運算速度處理現今傳統電腦無力解決之龐大且複雜的問題，預期可以大幅縮短新藥及新材料的研發時間，同時也大幅提高能源、金融、氣候等危機和風險預測準度與協助建構絕對安全的通訊。

　　光子量子位元可在室溫工作、不需真空環境、可直接與光纖網路連結、可積體性等特性，是目前量子電腦最可能晶片化的技術之一。

科技部補助的「矽基量子光電晶片」計畫團隊已展示全自製四光子量子位元（4photonicqubits）晶片，預計於2023年開發能執行容錯式Shor'salgorithm之光學量子運算晶片，可望寫下臺灣在矽基晶片級量子電腦技術上一個重大的里程碑。

　　若說半導體積體電路晶片是上世紀初第一次量子革命帶給人類科技最成功的傑作之一，那麼最符合臺灣利基的量子積體光路晶片將可望成為第二次量子革命浪潮裡延續臺灣晶片王國榮耀的絕佳武器。

　　被盛譽為「護國神山」的半導體科技產業靠著研發精微輕薄的積體電路（IntegratedCircuits;IC）晶片不僅在臺灣，也在全世界寫下人類科技史上輝煌的一頁。

人類文明跳耀式的進展是拜自十八世紀以來歷經了幾次的工業革命之賜，此時，我們正身處自第三次工業革命進入工業4.0這個令人振奮的歷史新頁。

今日，人們隨時隨處都在享受第三次工業革命所開創的數位資訊時代所帶來的便捷生活，例如網際網路、3C產品等徹底改變人類日常生活的革命性進展。

然而，人類高度文明的發展卻也帶來天文數字級的數位資訊處理量，持續級數成長，進入大數據時代。

據估計，全球產生的數位資料量於近年將突破44ZB（1021位元組），嚴峻地考驗著面臨摩爾定律（積體電路上可容納的電晶體數量密度）極限的半導體積體電路晶片技術，而難以負荷。

　　相較現今眾所使用的電腦，量子電腦以其獨特的疊加（superposition）與糾纏（entanglement）等奧妙的量子現象，可達成強大的平行處理能力，能以超快的運算速度處理傳統電腦無法解決之龐大且複雜的問題或資料，預期可大幅縮短新藥及新材料的研發時間、大幅提高能源、金融、氣候等危機和風險預測準度、協助建構絕對安全通訊與從事通路運輸、天文、高能物理及國防安全等需大規模的複雜運算之事件。

例如，Google及中國大陸量子電腦團隊相繼於2019及2020年實證展示了量子計算優越性（或稱量子霸權），其中，「九章」量子計算機在處理特定問題（高斯玻色取樣）的速度較當今最快的傳統（超級）電腦「Fugaku」還快100兆倍！ 圖一：「矽基量子光電晶片」計畫團隊所研發之光量子位元晶片   　　目前已有眾多量子電腦研發技術正在開展，包含超導電路（代表公司：IBM、google）、離子阱（IonQ、Honeywell）、電子自旋（Intel）及光子（PsiQuantum、Xanadu）等。

然而，對於超導電路及離子阱等量子位元而言，因其需要接近絕對零度或真空的環境來維持其量子同調性，既耗能又龐大的設施讓系統的擴充性變得相當困難且複雜，要實現系統積體化或晶片化等提升實用價值是極大的挑戰。

相對地，光子量子位元可在室溫工作、不易受干擾、高傳輸速率、高頻寬、高調製速度、不需真空環境、可直接與光纖網路連結、可高積體（矽基與CMOS平臺）、高擴展性（highscalability）及容易操控等特性，是目前量子電腦最可能晶片化的技術之一（圖一）。

　　自2018年底起由科技部補助中央、清華、陽明交通及中正等大學組成的「矽基量子光電晶片」計畫團隊（以下稱本團隊，主持人中央大學陳彥宏教授）是目前國內從事光量子計算技術較有規模的團隊。

本團隊已於2021年展示全自製四光子量子位元（4photonicqubits）、光學受控反閘（CNOT）邏輯閘，以及可在室溫操作的雪崩式二極體單光子偵測器等三大關鍵硬體架構的開發，並預計於2023年開發能執行容錯式Shor'salgorithm之光學量子運算晶片，可望寫下臺灣在矽基晶片級量子電腦技術上一個重大的里程碑（圖二）。

　　本團隊的量子光電晶片技術已獲得世界級半導體及電子龍頭大廠共同合作研發的意願或協定，以及澳洲（合作成果發表於2018年頂尖期刊）、德國和荷蘭等國際團隊的研究計畫合作。

本團隊成員的研發成果亦連續三年（2019-2021）榮獲科技部的「未來科技獎」。

若說半導體積體電路（IC）晶片是上世紀初的第一次量子革命帶給人類科技最成功的傑作之一，那麼最符合臺灣利基（niche）的量子光電運算晶片（基於「積體光路IntegratedPhotonicCircuits」;IPC）將可望是此刻第二次量子革命浪潮裡延續臺灣晶片王國榮耀的絕佳武器。

圖二：高積體量子光電運算晶片（整合半導體雷射晶片、量子光源晶片、量子光路運算晶片及單光子偵測晶片）     　延伸閱讀-科技部(科技大觀園)　 與[量子電腦]有關的文章 與[積體電路]有關的文章 相關文章 數位光學：異質結合半導體打開光學數位化及創新的大門 頻譜上的魔術師－手機多天線系統 無人機航拍影像協助農業災害評估 訂閱電子報以獲得最新資訊 填寫連絡資訊以取得每月發行之電子報 名字 姓氏 電子信箱 × 訂閱電子報以獲得最新資訊 填寫連絡資訊以取得每月發行之電子報 名字 姓氏 電子信箱 × 我們歡迎來自全臺各地的優秀研究成果，如果您有意於網站上刊登您的研究，歡迎來信[email protected]索取投稿相關訊息。