台灣如何站穩量子科技浪潮？專訪「量子推動小組」執行長張文豪

量子科技腳步不遠了，台灣甚至成立了「量子國家隊」。我們身處轉變時刻，應該先做好準備，了解量子科技究竟包含哪些部分，又會帶來哪些影響。中央研究院應用科學研究中心張文豪特聘研究員長期研究光量子技術，並擔任量子系統推動小組執行長。這次中研院「研之有物」訪談，張文豪除了帶領我們認識光量子技術的關鍵，也會談談量子國家隊忙些什麼，能否在這股量子科技發展的浪潮中，帶領台灣站穩腳步？

量子科技即將走入你我的生活。有一天，我們將打開以量子位元建構的量子電腦，透過量子演算法進行各種計算，並把資訊用量子傳輸的方式傳遞出去。這樣的日子可能不遠了。

為了因應量子科技時代的來臨，行政院 2022 年 3 月宣布成立「量子國家隊」，由 17 個產學研團隊組成，含通用量子電腦硬體技術、光量子技術、量子軟體技術與應用開發這三大領域。同時亦成立「量子系統推動小組」跨部會整合，協助國家隊達成目標。

通用量子電腦硬體技術，是指開發以量子位元為運算位元的量子電腦，概念接近一般電腦，有 CPU，有控制讀取晶片，可透過程式設計得到想做的計算。中研院陳啟東研究員與陳應誠研究員都是計畫主持人之一。

量子軟體技術與應用開發，顧名思義是軟體及演算法開發，也含未來量子電腦必須有的量子糾錯設計，以及量子計算應用開發，如金融、製藥與材料開發等。中研院鐘楷閔研究員是計畫主持人之一。

光量子技術，分為「光量子計算」與「量子通訊」。光量子計算是以光為量子位元設計的計算系統，量子通訊是以光的量子態傳遞訊息。

中研院應科中心特聘研究員張文豪長期研究光量子技術，並擔任量子系統推動小組執行長。「研之有物」訪談，張文豪深入淺出介紹光量子技術，也分享許多量子國家隊的願景。

量子國家隊的三大領域，您的專長是光量子計算與量子通訊。請問光量子計算與通用量子電腦有何不同？

光量子計算系統是針對特定問題設計，當光量子系統設計好，由於光的晶片、路徑等都確定，無法中途改變，所以就只能計算同類問題。光量子計算困難在於光會跑，且是用光速跑，不會回頭。

也就是說，光子不會中途停止，一定會把整個計算做完。所以跟一般量子位元不一樣，一般量子位元計算完就恢復原狀，光子跑完就沒了，無法暫存，如果要重啟計算，要再給予新光子。光量子計算對傳統電腦難解決問題，如最佳化及取樣等有很大幫助。

量子通訊也是用光量子技術，和現在以光纖傳輸資訊有什麼不同？

過往光通訊是用「有沒有光」當 0 跟 1 兩種狀態，量子通訊則是用光的量子態當 0 跟 1，把訊息全部用量子態編碼，這就是量子通訊的基本概念。量子通訊的好處是竊取動作會干擾量子態，因此資訊不易竊取，或說外人無法不被發現就竊取資訊。這種通訊方式可透過量子性質本身，保護資訊安全。

▲ 量子加密的概念如影片。Alice 要傳訊息給 Bob 之前，會先發送解密訊息的量子金鑰給 Bob，金鑰是由一顆顆光子構成，每顆光子都賦予不同偏振方向和順序。因駭客無法與 Alice 逐個比對光子偏振，竊取資訊時會干擾原本量子態，導致接收端結果異常，Alice 和 Bob 就會發現有人竊聽。

意思是說，量子通訊的發展不是為了讓資訊傳輸更快，而是為了更安全？

對，其實這牽涉到量子電腦發展。因量子電腦重點就是破解最常使用的密碼系統 RSA（知名的非對稱加密演算法）。雖然量子電腦可能不會那麼快發展出來，還要再等幾十年，但仔細想想，有沒有什麼資料必須保密幾十年？

有心人士可以現在就先截取訊息，等幾十年後有量子電腦再破解。基於這個原因，量子通訊的加密技術必須走得比量子電腦更快才行。

量子通訊現在發展到什麼程度？有什麼困難點？

各種量子技術，量子通訊應該發展最快，有難度，但沒有量子電腦那麼難。很好的量子通訊系統，要有好的單光子光源、高效率偵測器，以及不會破壞量子態的傳輸通道。

好的單光子光源及偵測器都不容易製作，但因量子通訊很重要，所以大家開始用替代光源，比如雷射光降到非常弱，弱到一次只跑出一顆光子，偵測器的效率可能也只要六七成。這樣儘管不太完美，但還是可以得到量子通訊的好處。

傳輸通道則是另一個困難點。訊息在傳輸過程會慢慢衰減，所以目前光纖每隔一段距離都有放大器，但放大器會干擾量子訊號。清華大學褚志崧副教授團隊，為量子國家隊光量子研究團隊之一，就在進行這方面研究，透過推動小組協助與中華電信建立合作，接下來就要在新竹、楊梅之間找到一條沒有經過放大器的光纖進行長距離量子通訊測試。

還有一種發展趨勢，就是往天上，以衛星或低軌衛星走量子通訊，這也是另一種較不受干擾的方法。

▲ 清華大學褚志崧副教授（左）量子推動小組協助整合下，預計在新竹、楊梅之間找到一條沒有經過放大器的光纖進行長距離量子通訊測試。（Source：工程科技推展中心）

單光子光源的挑戰

量子通訊光源即便不盡完美，但仍可接受，不過光量子計算就不行了。光量子計算必須有良好單光子光源及高效率偵測器，才能正確讓光子在系統運算，並準確偵測輸出結果。因此「如何製造好的單光子光源？」是張文豪及其他光量子研究團隊的重要挑戰。

單光子光源指的是「一個時間點只會放出一個光子」光源。從原理說，這種光源是單一二能階系統，也就是「基態─激發態」，當一個位於基態的電子獲得能量，躍遷到激發態，然後從激發態掉回基態時，就放出一顆特定波長的光子。

▲ 單光子光源是二能階系統，每次只能放出一顆光子。（Source：Scientific Reports）

二能階系統只要有一顆電子躍遷到激發態，還沒掉回基態前，無法激發另一顆電子到激發態，張文豪形容：「這就像捷運閘門，前一個沒過去前，後一個進不來。」也因為這機制，每次只能放出一顆光子。

那要在哪裡找到這種二能階系統？科學家一開始想法是用「單一原子」，如鈉原子。但要把單一個原子分離出來太困難，所以到 2000 年後，科學家轉而從半導體製程，尋找製造出單光子光源的「人造系統」，目前有兩種主要方法，一是製造「量子點」，一是製造「缺陷」。

量子點是利用半導體製程做出一個小體積物體，通常是將兩種不同材料疊起，因為彼此應力凸起成「島狀物」，外面再用另一種材料包覆。島狀物裡面會產生類似原子的能階，所以也稱為「人造原子」。

除此之外，在晶體內製造某些特定缺陷，也能達成單一光子源效果。這類缺陷最常見的就是鑽石裡「NV center」，意思是鑽石晶體結構，其中一個碳用氮（N）取代，這個氮的隔壁又有一個碳拿掉，出現空缺（Vacuum）。這缺陷也會產生上述二能階系統，如單一原子、量子點放出單光子。

▲ 鑽石晶體結構原本都是碳原子，如果其中一個碳用氮取代，氮隔壁又有空缺，這材料缺陷系統就可放出單光子。（Source：Quantum Beam Sci.）

是否可以比較量子點與材料缺陷兩種方法的優缺點？

目前為止做得最好的單光子光源其實是量子點，可產生幾乎完美的單光子，但必須低溫環境才能運作。材料缺陷大部分室溫可運作。

我們還必須考慮單光子光源放出的光子，是否處於需要的波段。舉例來說，目前光纖光波長約 1,310~1,550 奈米，因為是損耗很低的波段。鑽石 NV center 產生的光，則固定 600 多奈米紅光，波長還不夠貼近光纖傳輸波段。

現在有許多團隊，都在嘗試從鑽石製造其他缺陷，以符合光纖傳輸波段，也有人嘗試其他材料，例如稱為第三代半導體的碳化矽。

單光子光源未來會往哪個方向發展？理想的單光子光源是什麼樣子？

我們也希望單光子光源可用脈衝激發，讓光子出現時間差固定。脈衝雷射激發是像機關槍，一打開光子就以相同間隔源源不絕出來。更理想情況是，如果能把單光子光源做成電激發元件，就可在想要有光子的時候打出一道脈衝，產生一個光子。

以目前半導體製程，有成功做到打一道脈衝換一個光子，但必須低溫操作，效率也不理想。

研究團隊最近嘗試以二維材料製造單光子光源，有什麼進展？

我們最近使用的二維材料是六方晶格氮化硼（hBN），做室溫單光子光源。氮化硼滿有趣的，就像 2D 鑽石，寬能隙又是絕緣體，不太和其他東西起作用，裡面缺陷也會形成單光子。

我們幾年前跟台積電合作，用化學氣相沉積（CVD）做出晶圓尺寸的大面積氮化硼，並發表於《自然》（Nature）期刊。未來可透過這技術進行「缺陷工程」，也就是控制哪裡製造缺陷，產生單光子輻射陣列。如用聚焦離子束打掉某些位置的原子．再透過熱處理修復。先破壞再建設，才能產生缺陷。這個技術目前還是很有挑戰性。