潛力無窮？速度有極限？量子科技如何發展：還看中國矽基半導體

2022，量子科技的商業年？

似乎最近幾年，量子計算都在向商業可行性邁進。2021年，我們看到聯合學術界、研究實驗室、企業界和政府的工作組的形成和活動有所增加。美國政府繼續對該領域進行投資，我們已經開始看到新興量子網路的擴張，這些網路建立在芝加哥大學和阿貢國家實驗室等科學家們開創的工作基礎之上。

但事實是，基於現有的光纖網路、裝置的可用性和可負擔性，以及IT和安全專業人士及早採用量子技術的遠見，量子計算的採用很可能是漸進的。對此我們能觀察到五個明顯的發展趨勢：

1. 基於量子的加密比你想象的更接近

量子安全的美妙之處在於它是不可破解的。然而，在全面實現量子功能之前，現在的問題是如何利用量子加密來保護有價值的資料和基礎設施。

（文章內容來源於網路）

量子金鑰分發（QKD）技術： QKD是一種在兩個通訊點之間共享隨機生成的“金鑰”的通訊方法。安全金鑰對訊息進行加密和解密。2022年，我們將聽到更多關於QKD-on-a-chip的訊息，將QKD技術應用到可以安裝在任何地方的微晶片中。這消除了物理障礙，可能會加速量子加密通訊和資料交換。而小尺寸、低功耗和低成本的生產特點也使許多企業能夠更快地採用QKD。

2. 量子計算即服務 (QCaaS) 即將問世

量子計算當前的缺點之一是成本。隨著應用和創新的增長，裝置成本無疑也會下降。然而，如今對於普通企業而言，量子計算機的硬體價格昂貴且難以維護。讓量子計算成為一種服務，即QCaaS。從亞馬遜網路服務（Amazon Web Services）和微軟Azure 等供應商處訪問雲中的量子功能可能會使量子安全性和速度在當今技術中觸手可及。根據Quantum Insider研究顯示，雖然當前的QCaaS市場規模較小，但增長迅速。我相信我們會看到其他技術提供商進入QCaaS領域，透過云為特定客戶提供QKD安全性，並提供從客戶站點到雲資料中心內終端點的光纖通路。

3. 量子網際網路

雖然正在建立小規模量子網路，但廣泛的量子網際網路的想法受到光子隨著距離增長而保持其生存能力的程度的限制。我們開始看到越來越多對開發量子儲存器和量子中繼器的研究，這對於量子網際網路來說是必要的。該儲存器將儲存一個量子位元的量子態，並透過隱形傳態將該狀態與另一個光子交換。量子中繼器放大光子並在它們衰退之前將它們向前推進。這兩種技術對於構建量子網際網路所需的物理基礎設施都至關重要。

4.關鍵基礎設施網格

網路攻擊的激增並沒有減弱，使公用事業公司成為潛在的攻擊目標。美國能源部制定了建立智慧電網的國家安全目標，即建立一個智慧電網，使用安全的雙向通訊來保護基礎設施和客戶。期待支援智慧電網的電力公司成為QKD 等量子安全解決方案的首批商業測試平臺之一。

5. 量子科技公司

2021年10月1日，IonQ 成為第一家上市的量子計算公司，估值約為20億美元，緊隨其後的是Rigetti Computing，估值為15億美元。2021年，量子技術領域也出現大量投資，從貝萊德和微軟風險基金等向PsiQuantum注資4。5 億美元，到霍尼韋爾量子解決方案與劍橋量子計算公司的合併以及高達3億美元的計劃投資，人們對量子技術領域的興趣正在增加。我們似乎還會繼續看到更大的科技巨頭對初創公司進行投資以擴大其量子能力，並打算儘快將可行的解決方案推向市場。

量子計算也有極限？

最近，

根據以色列理工學院的最新研究，量子計算機確實有速度極限。相比於傳統計算機，量子計算機的運算速度能達到指數級的提升，但量子計算機受到的速度限制，理論上並不止一個。而以色列理工學院團隊嘗試突破量子物理學的邊界，提出並證明量子計算機的速度極限。這一研究成果發表在《科學進展》（Science Advances）上。

（圖片來源於網路，侵刪）

與膝上型電腦或智慧手機不同，一些量子計算機將原子作為物質波進行處理，其速度限制取決於在這些物質波中資訊的轉換速度。據論文，量子力學對量子態隨時間變化的速度設定了基本限制。兩個著名的量子速度極限理論是曼德爾斯坦和塔姆提出的速度限制（MT Bound）和馬爾高拉斯-萊維丁定律（ML Bound）。研究團隊透過使用快速物質波的干涉測量法，跟蹤光阱中單個原子的運動，同時測試了在多能級系統中的這兩個速度極限。

量子計算的速度限制來自哪裡？

要理解為什麼量子計算機會有速度限制，就要理解速度極限理論所應用的領域。量子計算機不會執行0和1的二進位制系統，即位元，而是使用量子位，或量子位元進行運算。在量子物理學中，原子被看作是物質的波動。位元的位值只能是0或1。而量子位作為基本的資訊單位，能同時以0和1兩種可能的狀態存在。

多級量子系統中的量子速度極限團隊發現，曼德爾斯坦和塔姆的速度限制始終限制著量子態的發展速度，而兩種速度極限的交叉會在更長的時間後發生。因為粒子的能量永遠不可能被準確地發現，所以它總是取平均值。正如曼德爾斯坦和塔姆的速度限制所預測的那樣，一個量子位能夠被處理的最快速度取決於其能量的不確定性，而更高的能量不確定性將導致速度極限更快到來。但在量子物理學中，如果能量的不確定性高到足以達到原子的平均能量，那物質就會停止加速，速度極限保持在平均能量。所以即使是量子計算機，也不是無限快的。這些研究成果對於理解量子計算機的最終效能和相關的量子技術具有重要意義。

但這仍不能否定一個事實：與我們現在使用的電子裝置相比，量子計算機的計算速度依舊是超快的。

距離量子智慧手機真正到來，未來還有很長的路要走。

一個新方向：矽基半導體量子位元

最近中國科學技術大學郭光燦院士團隊郭國平教授、李海歐研究員近期與國內外學者合作，實現了矽基自旋量子位元的超快操控，其自旋翻轉速率超過540兆赫，是目前國際上已報道的最高值。相關成果日前線上發表於

《自然·通訊》

。

（原文網址：https：//news。sciencenet。cn/htmlnews/2022/1/472766。shtm）

矽基半導體自旋量子位元是量子計算研究的核心方向之一，其具有長量子退相干時間、高操控保真度等獨特優勢，並且可以很好地與現代半導體工藝技術相容。高操控保真度要求量子位元在擁有較長量子退相干時間的同時具備更快的操控速率，而使用材料中天然存在的自旋軌道耦合可以更快更有效地操控自旋量子位元。

近年來，矽基鍺空穴體系中的自旋軌道耦合研究和實現超快自旋量子位元操控是該領域關注的熱點。自旋軌道耦合場的方向會影響自旋位元操控速率及位元初始化與讀取的保真度。因此，測量並確定自旋軌道耦合場的方向，是實現高保真度自旋量子位元的首要任務。

李海歐等人最佳化器件效能，在耦合強度高度可調的雙量子點中完成自旋量子位元的泡利自旋阻塞讀取，觀測到多能級的電偶極自旋共振譜。透過調節和選擇共振譜中所展示的不同自旋翻轉模式，實現了自旋翻轉速率超過540兆赫的自旋量子位元超快操控。

研究人員透過建模分析，揭示了超快自旋量子位元操控速率的主要貢獻來自該體系的強自旋軌道耦合效應。研究結果表明，矽基鍺空穴自旋量子位元是實現全電控量子位元操控與擴充套件的重要候選體系，為實現矽基半導體量子計算奠定了重要研究基礎。

然而無論是矽基半導體還是時下處於前沿的的碳化矽半導體，都面臨著很大的一個問題——工藝：

碳化矽器件製造工藝難度較高、高壓碳化矽器件工藝不成熟、器件封裝不能滿足高頻高溫應用需求等，全球碳化矽技術和產業距離成熟尚有一定的差距，在一定程度上制約了碳化矽器件市場擴大的步伐。

當前碳化矽功率模組主要有引線鍵合型和平面封裝型兩種。為了充分發揮碳化矽功率器件的高溫、高頻優勢，必須不斷降低功率模組的寄生電感、降低互連層熱阻，並提高晶片在高溫下的穩定執行能力。但實際上，不僅是工藝問題，在整個製造過程中的外部保護也是一個很重要的問題。

製造保護：半導體晶片手套箱

半導體晶片手套箱是專門為研究材料科學、化學、半導體及相關行業所設計的，主要配置除煙塵系統、真空烘箱、水冷系統，適用於鐳射焊接。採用德國BASF除氧材料，美國UOP高效吸水材料，手套箱內水氧成份可長期持續維持在高畫質潔與高純度的氣體環境中，手/自動控制系統氣壓；手/自動控制系統的淨化狀態；自動控制氣體淨化系統的還原過程；自動提示、報警功能；系統控制引數設定；系統引數記錄；系統執行機構工況監測；透明的前面板使操作更方便容易，廣泛應用於半導體工業中MOCVD技術。