在先進計算扮演關鍵角色的矽光子，如何改變半導體科技的發展？

矽光子技術整合了 20 世紀半導體科技兩個最重要的發明：CMOS 積體電路和半導體雷射，能以前瞻又成熟的矽量產技術製造之，提供多元化的功能應用，例如：5G 無線通訊、汽車、醫療，甚至是物聯網多元功能性的傳感器，如：光達（LiDAR）、陀螺儀等 [1]。（本文出自國立陽明交通大學電子研究所李佩雯授團隊，經於閎康科技編修於「科技新航道 | 合作專欄」介紹「量子計算的關鍵角色！矽光子技術在先進計算的挑戰」文稿，科技新報編排為上下兩篇，此篇為上篇。）

矽積體光子技術倍受矚目的另一項原因是，能以光連接來彌補晶片內高度微型化金屬電連結所衍生的嚴重延遲與耗能窘境，這是因為長久以來，微縮晶片內電晶體或金屬電連結的特徵（長 / 寬度）、提高集成密度等 Dennard Scaling 措施，已經面臨嚴峻且難以突破的物理瓶頸。即使可使用多核心處理器的平行運算來提升計算機系統的效能，但終將難以突破能源效率牆（Energy Efficiency Wall）[2]。

矽光子積體電路的光電混和，有效強化晶片效能

理想的矽光子積體光路，是在矽平台上同質或異質整合光源、功能性傳感元件、光 / 電訊號轉換元件、光波導等，實現光互連晶片、處理器或傳感等多元模組。尤其是，將矽光子晶片與矽 CMOS 積體電路高度整合成光電混合積體晶片，可望大幅達成提升資料處理速率、降低功耗、微縮晶片面積、節省數據位元成本，以及改善可靠性 [3]。

由於矽光子積體電路技術在資料中心、5G 通訊等範疇展現了具體強大的商機，引起了許多歐美公司與研究機構的興趣，如：IBM、Intel、Cisco、STM及 CEA / Leti、IMEC、AIM Photonics、IME 等，早已紛紛進行矽光子晶片的研發與技術佈局，以持續提升晶片內（Intra-Chip）資料處理的速度與頻寬。

其中，Intel 是最早實現矽光子商業化應用的廠商，其早在 2012 年就已設立專屬事業部投入布局，並在 2016 年開始大規模出貨。而 2022 年 6 月，Intel 也成功展示了在矽晶片上整合控制八波長雷射陣列的先進研究成果。IBM 則是於 2012 年底時就已經開發出 90 nm 的奈米矽光子積體電路晶片，把光路與電路整合在單一晶片上。

矽光子的高速發展即將迎來矽光時代

2017 年時，知名矽光子公司 Luxtera 宣布與晶圓代工領導廠商 TSMC 共同發展下世代的矽光子技術。此外，根據外媒報導，荷蘭政府也將投資 11 億歐元促進新一代矽光子技術企業發展，為打造下一個 ASML 作準備。Yole Developpement 估計，矽光子光模組市場將從 2018 年約 4.55 億美元成長到 2024 年約 40 億美元，年複合成長率高達 44.5%。

Google、Apple、Meta、Amazon 和 Microsoft 等公司也積極開發高效率的矽光連接技術，建置短距離資料中心內部（850nm 雷射與多模光纖），以及長距離資料中心之間（1310nm 雷射與單模光纖）的光互鏈。

依據 Open AI 統計，自 2012 年起，每 3～4 個月 AI 應用的運算力需求就會翻倍。然而，當前的半導體晶片發展已逼近摩爾定律極限，無法滿足未來高效能運算之要求。而傳統的光模組也因成本過高、且體積過大，難以作規模化應用。矽光子晶片能夠在較低成本的前提下，有效提高資料中心內的電腦集群、伺服器乃至晶片間的通訊速度與效率，提供符合期待的強大運算力。2022 年 11 月時，日月光執行長吳田玉在 SEMICON TAIWAN 預告未來 4 大科技趨勢，其中一項就點名「矽光子」。

而根據產業分析預測，資料中心將會是矽光子第一波應用發展的主要競爭市場，預計未來 3 年內，矽光子晶片將廣泛應用在大型資料中心的高速資訊傳輸。為了取得矽光子市場之技術領先優勢，各家大廠近年來皆加大相關研發投資力道與產能佈建，期能在未來的「矽光時代」位居要角。

在「量子計算離子阱量子位元」中矽光子技術成為關鍵角色

矽光子技術不僅能改善傳統經典計算之運算速率、增進數據中心傳輸的效能，更可望促進量子計算硬體技術的實際發展。就得以在常溫運作的離子阱（Ion Trap）量子位元而言，一般多是使用光學桌上的光或微波訊號，遠端操控位於真空腔體內的離子阱量子位元 [4]。在讀取離子阱量子位元的量子態訊息時，則是透過光學桌上高孔徑值透鏡聚焦到單光子偵測器。在常溫、真空的環境，驗證已達成了離子阱量子位元的功能性，為實用型的量子計算提供了樂觀的希望。但是，在擴充量子位元數目、提升實際初始化 / 操控 / 檢測量子態的保真度等方面，離子阱量子技術仍面臨許多實質技術的困難與挑戰[4]。

「操控」及「讀取」離子阱量子位元所需的光學元件 / 光電子元件，所面臨的技術瓶頸：

需要使用射頻與直流高電壓來調控離子運動的誘捕電位，因此注入的電力勢必會耗散在誘捕電極，加熱離子阱位元，破壞量子狀態的保真度。
目前離子阱量子位元的運作情境是，操控及讀取的光學元件與電子電路被安置在常溫的光學桌上，而離子阱量子位元晶片則處於低溫真空腔體內，兩者以複雜的光纖與電纜連結之。礙於機械振動 / 熱噪聲及周遭環境的擾動，光學元件彼此間對準的精確度往往會遭受低頻抖動與溫度漂移等干擾，劣化了量子位元晶片長期操作的穩定性與保真度。
需要使用大型的高數值孔徑透鏡，來聚焦雷射光源於某一定點的單一離子，或收集來自於某特定離子自發散射的少數顆光子於單光子偵測器。但是，位於光學桌上的透鏡、雷射光及光偵測器等遭受對準與耦合噪聲 / 時間漂移等所擾，操控 / 讀取的保真度仍待改善。

綜上所述，目前可使用的光學元件如光源、光纖與單光子偵測器等，大多是放置在自由空間的光學桌上。但複雜的光學組件與光纖之間的對準及機械振動 / 熱噪聲等環境擾動，產生許多額外的雜訊源，大大限制了離子阱量子位元的數目擴充性及保真度。因此，迫切地需要研發能與離子阱量子位元晶片整合的矽光子晶片（如：光波導、光調製器、光偵測器）以及周邊 CMOS 電路 [3]。

要「擴充」量子位元數目及「提高」離子阱量子位元的讀取保真，得仰賴一聯串理想環境

理想的情境是，在真空環境中，雷射光源就近以光波導直接連結離子阱量子位元，直接操控、冷卻離子阱。同時也以光波導連結單光子偵測器，就近讀取離子阱量子位元的量子態訊息後，直接輸出到 CMOS 積體電路，進行後續的訊號處理。如此一來，不僅可以消除自由空間中光學元件的抖動 / 漂移、無所不在的電噪聲，更可以免除過長的光纖及複雜的光學組件之間對準的問題，對於「擴充」量子位元數目以及「提高」離子阱量子位元的讀取保真度有莫大的助益。下篇我們將繼續探討矽光子技術在「量子計算離子阱量子位元」的技術挑戰。