量子電腦勇闖晶圓廠?

2005年我正在念碩士班，論文內容是以奈米碳管(carbon nanotube)做為傳導通道的場效電晶體的製成研究，當時奈米碳管以及各式各樣的奈米線(nanowire)在學術界遍地開花，系上的各實驗室裡如果沒有沾一點「奈米」，就好像不夠前端。只是，就算可以生產出一大堆奈米碳管，就能改變這個世界嗎？奈米碳管可以幫「摩爾定律」續命的說法也在當時甚囂塵上。

當時恰巧讀到「科學人雜誌」上一篇「奈米碳管勇闖晶圓廠」的文章，心想：這或許真的就是未來。十五年過去了，奈米碳管還是沒有被大量使用在電子元件中，科學界把關愛的目光從奈米碳管轉到「石墨烯(graphene)」身上，只是，石墨烯就能幫「摩爾定律」續命嗎？

2019年一月在美國拉斯維加斯展開的年度消費性電子展(CES)上，國際商業機器公司(以下稱IBM)向世人發表了一台名為IBM Q System的機器，其體積之大，讓人難以想像這是一台電腦。事實上，這是一台「量子電腦」，利用量子物理中特有的「疊加態(superposition state)」與「量子糾纏(quantum entanglement)」來進行大量複雜的運算。

這裡先簡單的做名詞解釋一下，在我們高中所學的物理中，一個物質的狀態要不就是「有」，要不就是「沒有」，例如小春要不是「有」一個50元的硬幣，就是「沒有」一個50元的硬幣。但是當使用量子物理來形容這個是否持有一個50元硬幣的狀態，可以是我同時「有」和「沒有」這個硬幣，「有」與「沒有」的成分多寡是個機率，例如：我50%「有」且50%「沒有」這個硬幣；或是75%「有」且25%「沒有」這個硬幣。

而「量子糾纏」則是用來描述在一個系統中兩個子系統的交互關係，例如：小春口袋裡有10元，阿姆口袋裡有12元，當小春的口袋和阿姆的口袋透過「量子糾纏」形成一個系統時，無論兩人分開多遠，一旦小春口袋裡錢的金額發生改變(增加或減少)，阿姆馬上就會察覺，反之亦然，因為兩人已經「糾纏」在一起了。

利用這兩個量子物理的特性，數學家們發明了數種量子演算法來解決既使是對現今的超級電腦也非常非常非常困難的數學問題，例如：質數分解(Shor演算法)和函數判斷(Deutsch-Jozsa演算法)，當然這些演算法都只是理論，要發揮真正的功效還必須要有一台可以運行這些演算法的計算機，於是工程師與科學家們投入大量人力與金錢研究開發能夠運行量子演算法的「量子電腦」，除了典型的學術界基礎研究之外，產業界也暴雨式地積極投入，包括微軟(Microsoft)、谷哥(Google)、IBM、日立(Hitachi)、英特爾(Intel)等等，產學合作同時遍地開花。

在這個量子電腦的戰國時代，各自信奉不同的發展策略，但無論策略為何，起手式都是必須先製造出一個計算機中最基本的元素—「量子位元(quantum bit或qubit)」，不同於古典位元只能呈現二元的「0」或「1」，「量子位元」可以呈現「疊加態」的無限種狀態。以目前發展最順利的Google與IBM為例，兩者都是使用以超導體(superconductor)為基礎架構的量子位元，Microsoft著眼於拓樸量子位元(topological qubit)，日立與Intel發展以現代矽電晶體(silicon transistor)為架構建造量子位元。不同的架構有各自的優缺點，但若以商用化的角度來看，一個好產品最基本的要求無非是「好用」、「實用」、「穩定」。在這三個前提下，儘管打造量子電腦的基礎架構不同，但理論上都可以執行量子演算法，重要的是電腦裡面量子位元在運算時是否能發揮所有的功效，因此在「好用度」上的差異並不大；以「實用性」及「穩定性」來說，若是要一台輕薄短小且堅不可摧的量子電腦，以製造工藝最為成熟的矽電晶體為架構的「量子處理器(quantum processor)」即為首選。

自1947年第一個電晶體在美國貝爾實驗室(Bell Labs)被John Bardeen、Walter Brattain、William Shockley三人發明之後，人類看到了半導體的無限潛力，電晶體開始取代真空管，使用積體電路(integrated circuit或稱IC)的各式各樣電子產品因為半導體科技的演進不斷推陳出新、功能越來越多，半導體元件的發展從1970年代至今都按照著摩爾定律(Moore's Law：積體電路上的電晶體密度每兩年增加一倍)一路走來，電子產品也跟著輕薄短小。受惠於半導體製造公司，例如Intel、台灣熟知的台灣積體電路公司(TSMC)、格羅方德(Global Foundries)、三星(Samsung)投入龐大人力物資，消費者能使用越來越便宜(意指在得到相同功能的情形下所付出代價)也越來越穩定的電子產品。

同時由於電晶體的尺寸不斷縮小，在上個世紀尚不須擔心的事情，終於介入了電晶體的發展—量子物理對電晶體的影響，量子穿隧效應(quantum tunnel effect)及量子點(quantum dot)的形成在現代的矽鰭式場效電晶體(silicon Fin field-effect transistor，Si FinFET。因形狀像個魚鰭，故稱「鰭式」。)裡都被電子工程師和物理學家觀察到，然而這些從前被半導體製造廠視為缺陷的現象，如今都是可以被用來當作打造量子位元的元素。

在鰭式場效電晶體中，用來傳導電子的是一條細長型狀的矽通道(channel，上圖中的「Fin」)，在極低溫的環境下(<-269℃)，來自閘極的電場由於矽通道的不勻稱的形狀造成電場分佈不均勻，電荷(電子或電洞)累積在矽通道的某一小部分(通常是在Fin的頂端)而形成量子點，這個量子點恰好可以用來當作量子位元，使用的方法有兩種：第一種是在矽通道中刻意形成兩個量子點，把這兩個量子點做為一個量子位元，利用電子在兩個量子點中的移動來定義量子位元「0」和「1」的狀態；第二種使用方法是只需要在矽通道裡產生一個量子點做為一個量子位元，利用量子點裡電荷的自旋(spin)狀態來定義這個量子位元的「0」和「1」。倘若每一個電晶體可以當作是一個量子位元，然而要打造出一個量子處理器來處理相對大量的資料，粗略估計需要至少一百萬個量子位元，意即一百萬個電晶體。

「一百萬」看似一個驚人的數字，但以現今的半導體製造技術要在一個小晶片上容納十億個電晶體已不是難事，只是，目前最令電子工程師及物理學家們棘手的問題其一是要如何精準的控制及讀取每個量子位元的狀態：在一個量子系統中，每個子系統的狀態極容易受到外在環境影響，例如熱擾動與電場擾動，因此必須把量子處理器存放在極低溫的環境(<272℃)且與外界隔離，否則存在量子位元的資訊很容易被破壞變形(decoherence)；問題其二是，以目前的科技看起來，量子位元受到外界的擾動已是無法避免，但至少可以想辦法找出是哪些量子位元的狀態受到非預期性的破壞，進而加以修正(error correction)；問題其三是，如何讓這一百萬的量子位元產生「糾纏」，倘若無法形成一個有「量子糾纏」的系統，便無法發揮量子演算法的潛力，這個「量子處理器」的運算能力甚至會比家裡的PlayStation 4還弱。

雖然要打造出一台真正的量子電腦還需要下很多功夫，不免讓人覺得是天方夜譚，但一百年前應該也沒有人會相信人類已經可以輕輕鬆鬆登陸月球吧。

後記：量子電腦或許無法成為「摩爾定律」的續命丹，但是以目前的半導體製程技術，似乎已經足夠生產出量子處理器了，半導體大廠英特爾在這方面展現了野心也證明了能力。量子電腦也能在半導體科技人才濟濟的台灣孵化成形嗎？

延伸閱讀：「半導體晶圓產業的下一步」。