光子晶片真能彎道超車中美晶片戰？─深度政經分析（15）

作者：陳華夫

「什麼是光子晶片？量子晶片？」一位老友用語音訊息問我。

我趕忙把百度百科的解釋之網址给他。但這可不得了，捅到馬蜂窩，當頭被他數落了一頓：「有關中美貿易戰之簡體文章及視頻都屬誇張不實的大外宣，可性度極低，你為何傳播它？」

其實，真冤枉，深知我這位老兄對光子晶片及量子晶片的知識並無啥興趣，只想求證媒體甚囂塵上的「華為光通訊晶片，突破老美封鎖」、「非對稱超車，不靠EUV光刻機，中國首條光子晶片產線預計明年建成」、「世界首顆光子晶片誕生！中國打破技術封鎖，西方光刻機魔咒被打破？」、及「光子晶片或換道超車，到底是不是炒作？」等。

何謂量子晶片？
量子晶片在維基百科裡沒有條目，在百度百科裡的摘要解釋是：「所謂量子晶片就是將量子線路集成在基片上，進而承載量子資訊處理的功能。」接著的文章就只有專家才看的懂。而我在拙文中美博奕大戰略之中美尖端高科技爭霸的真相─科技與智慧（36）中的第四節：量子科技中，是這樣解釋量子晶片：
拉斯·耶格教授說：「今天的量子物理學家就像舞台上的魔術師，每晚都輕而易舉地把白兔從帽子裡拉出來。但他們和觀眾一樣，對這些最初是如何進入帽子的了解甚少。我想帶你進入完全瘋狂、美妙和不可思議的量子世界．．．．而物理學家僅在最近才掌握量子糾纏現象。」（見《第二次量子革命：從糾纏到量子計算等超技術》第xvii頁）
英國《金融時報》報導（見歐美科學家分享諾貝爾物理學獎）2022年諾貝爾物理學獎展示了：
「對量子糾纏之『糾纏狀態』的粒子進行考察和控制的潛力。當兩個粒子處於量子糾纏之「糾纏狀態」（用來表示量子鏈接的科學術語）時，一個粒子發生的事情對另一個無論相距多遠的粒子都會產生瞬時影響，直接駁斥了愛因斯坦當年將它不屑地稱為「鬼魅般的超距作用」。但是這三位諾貝爾獎得主用量子糾纏之糾纏狀態的光子（光粒子）進行了實驗，證實了早期量子理論家的預測─即量子糾纏現象終將被證明是真實存在─是正確的。
使用量子糾纏的意義在於，你可以將一個物體攜帶的訊息轉移到另一個地方，在那裡重構該物體。這種瞬時訊息傳輸經常被稱為「瞬間轉移」，不應該將其與《星際迷航》(Star Trek)等科幻作品中不切實際的瞬間轉移固態大物體的想法相混淆。
用糾纏光子進行的瞬間轉移實驗，已經通過中國與奧地利之間的7600公里衛星鏈路展示了量子加密通訊的可行性。也許最具變革性的應用將是量子計算，它為我們開啟了高效率、快速地進行複雜計算的途徑，「假以時日，實際應用可能包括更快地開發藥物和疫苗、提高電池效率、提高天氣預報的準確性以及通過量子加密來保護數據等，量子科技的一項早期應用是在蓬勃發展的密碼學領域，即構建數字代碼以確保安全通訊。如果有人截獲量子加密通訊加密的量子信號，量子糾纏就會消失，訊息隨之消失。」（見歐美科學家分享諾貝爾物理學獎）

另外，無數的科學家和政府都在期待著所謂的第二次量子革命。掀起第一次量子革命的推手之一就是雷射（激光）技術的發展，而雷射在今天也已經是許多日常電器的一部分。第二次量子革命影響範圍可能更加廣泛。最廣為人知的發展面向就是量子電腦，而它便是以量子糾纏的單元作為基礎。另一個例子是量子加密通訊和量子密碼學。使用量子糾纏的方法讓我們不只可以加密通訊管道，還可以確保雷射裝置與測量儀器的安全。（見愛因斯坦將感到雙倍不可思議）

所謂量子晶片就是將量子線路集成在基片上，進而承載量子資訊處理的功能。由於量子糾纏（Quantum entanglement）容易產生，並且對量子退相干（quantum decoherence）很穩健，可作為量子信息的資源。（見矽光子學三十年：個人觀點）借鑑於傳統計算機的發展歷程，如半導體量子晶片在量子退相干間和操控精度上一旦突破容錯量子計算的閾值，有望集成傳統半導體工業的現有成果，大大節省開發量子晶片成本。

而所謂量子科技就是如何操控個別原子、電子、光子甚至原子核等的量子退相干及量子糾纏之行為。當前量子科技主要分為3方面：1）量子計算、2）量子加密通訊、及3）量子雷達。（詳細，請看拙文何謂量子晶片？美中「量子科技」爭霸錄─科技與智慧（8））

何謂光子晶片？
維基百科裡沒有，只有相關的光子晶體條目。在百度百科裡的摘要解釋是：
「研究人員將磷化銦的發光屬性和矽的光路由能力整合到單一混合晶片中。當給磷化銦施加電壓的時候，光進入矽片的波導，產生持續的雷射光束，這種雷射光束可驅動其他的矽光子器件。這種基於矽片的雷射技術可使光子學更廣泛地應用於電腦中，因為採用大規模矽基製造技術能夠大幅度降低成本。 英特爾認為，儘管該技術離商品化仍有很長距離，但相信未來數十個、甚至數百個混合矽雷射器會和其它矽光子學部件一起，被集成到單一矽基晶片上去。這是開始低成本大批量生產高集成度矽光子晶片的標誌。」
這段解釋一般讀者是霧中看花，就連我雖是光子學（即電磁波學）專業（見我的視頻科學方法學物理與人工智慧（7/40）─解電磁學的Maxwell方程式），也挺費勁。

光子晶片早在美國1980年代就開始發展，如下圖：

簡單的說，光子晶片處理的是光子而傳統晶片處理的是電子，兩者集成晶片的製造技術類似，晶片的結構外觀也類似，只是電子通道換成光波導通道，如下圖：

而光子晶片的應用是數據中心結構、晶片到晶片互連、主機和顯示器互連、醫療雷射（激光）、化學分析，如下圖:

光子晶片大規模的商業運轉及應用雖未到來，但卻是當今熱門的高科技，例如2022/10月媒體報導：「台灣奈微光所研發的矽光子晶片，不只可以做到一機偵測多種人體生理訊號（如心跳、脈博、血氧、溫度、血壓…等）的功能，甚至可以進行一氧化碳、二氧化碳、甲烷等等氣體濃度的偵測，當人體生理訊號異常，或是所在環境的特殊氣體濃度超標時，配戴的裝置即可立即示警。」（見全球獨家四合一矽光子晶片 正式進入可量產階段）

光子晶片真能彎道超車中美晶片戰？
回答這個問題的難度，大過回答股神巴菲特讓台積電大漲後，台積電還會漲嗎？（見股神巴菲特加持，台積電大漲！他1理由勸「人多的地方別去」，股民喊不信堅持買）

我可提供個人的經驗，供大家參考。當2017年谷歌（Google）DeepMind公司的電腦圍棋AlphaGo Zero橫掃人類圍棋時，我基於對圍棋及人工智慧的喜好，寫了本書《現代流圍棋: 如何簡單對戰ALPHAGO-II (第1集)》，並且在youtube上推出了數百個圍棋視頻（如現代流5原則對戰職業九段,9P系列（60─100）─ 陳華夫持白狂勝「Katrain 9段」144目半）。當時我就認為人工智慧太重要了，中國不能落後，必須追上。（見拙文，人工智慧的「強化學習」與人類學習的優劣─科技與智慧（33））

但情況卻大出我的意料之外，中國受了美國AlphaGo Zero的刺激後，人工智慧竟然突飛猛進，到了2022/8月，自動駕駛出行服務平台「蘿蔔快跑」已準備商轉，把美國遠遠甩在後面。（中國首例！百度「蘿蔔快跑」取得重慶、武漢兩地無人駕駛車營運資格）

人工智慧從落後美國，卻僅只花了5年就超前美國的教訓是什麼呢？
就在2021年，哈佛大學約翰·F·甘迺迪政府學院的艾利森教授指導的重大研究報告就說：「不可否認的現實是，中國有成為半導體的潛力領袖不能再打折； 而且，在目前的軌跡上，習主席很可能會實現中國2030成為半導體行業的頂級玩家。」（〈偉大的科技競爭：21世紀的中國與美國〉，第22頁）
而美國卻在2022年開啟中美晶片戰，極可能重蹈2017年打AlphaGo Zero的人工智慧戰卻被中國超前的覆轍。因為美國國雖有荷蘭EUV光刻機及台積電2-5奈米製程等優勢，卻激起中國晶片產業圖存救亡的民氣。在民氣可用之下，中國成為「半導體行業的頂級玩家」恐怕比艾利森教授預測的2030年會提前許多。（詳細，請看拙文中美博奕大戰略之中美尖端高科技爭霸的真相─科技與智慧（36））

結論：
光子晶片早在美國1980年代即已發展，光子晶片處理的是光子，而傳統晶片處理的是電子，兩者集成晶片的製造技術類似，結構外觀也類似，只是電子通道換成光波導通道。中美晶片戰激起中國晶片產業的民氣，可能提早讓中國成為半導體行業的頂級玩家。

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