※ [本文转录自 HatePolitics 看板 #1aMWYd2P ]
作者: vikk33 (vikk33) 看板: HatePolitics
标题: [转录] 台湾如何站稳量子科技浪潮？专访“量子
时间: Tue May 9 16:47:28 2023
1.转录网址︰
※ 网址超过一行 请缩网址 ※
https://is.gd/bXv3rF
2.转录来源︰
※ FB公众人物、FB粉丝团名称、其他来源 ※
国家地理
3.转录内容︰
※ 请完整转载原文 请勿修改内文与编排 ※
光量子与量子通讯的未来
量子科技脚步不远了，台湾甚至为此成立了“量子国家队”。我们身处这转变的时刻，应
该先做好准备，了解量子科技究竟包含哪些部分，又会带来哪些影响。中央研究院应用科
学研究中心张文豪特聘研究员长期研究光量子技术，并担任量子系统推动小组执行长。在
这次中研院“研之有物”的访谈中，张文豪除了带领我们认识光量子技术里的关键外，也
会谈谈量子国家队在忙些什么？能否在这股量子科技发展的浪潮中，带领台湾站稳脚步？
量子科技即将走入你我的生活。有一天，我们将打开以量子位元建构的量子电脑，透过量
子算法进行各种计算，并把资讯用量子传输的方式传递出去。这样的日子可能不远了～
为了因应量子科技时代的来临，行政院去（2022）年 3 月宣布成立“量子国家队”，由
17 个产学研团队组成，包含了通用量子电脑硬件技术、光量子技术、量子软件技术与应
用开发这三大领域。同时亦成立“量子系统推动小组”进行跨部会整合，协助国家队达成
目标。
通用量子电脑硬件技术，是指开发以量子位元作为运算位元的量子电脑，在概念上接近一
般电脑，有一个 CPU，有控制、读取的芯片，可以透过程式设计得到你想做的计算。中研
院的陈启东研究员与陈应诚研究员都是此领域的计画主持人之一。
量子软件技术与应用开发，顾名思义是软件及算法的开发，也包含未来量子电脑里必须
有的量子纠错设计，以及量子计算的应用开发，如金融、制药与材料开发等。中研院的钟
楷闵研究员是这领域的计画主持人之一。
光量子技术，分为“光量子计算”与“量子通讯”。光量子计算是以光作为量子位元而设
计的计算系统，而量子通讯则是以光的量子态来传递讯息。
中研院应科中心特聘研究员张文豪长期研究光量子技术，并担任量子系统推动小组执行长
。在这次“研之有物”的访谈中，张文豪深入浅出地介绍了光量子技术，也与我们分享了
许多量子国家队的愿景。
Q. 在量子国家队的三大领域中，您的专长在光量子计算与量子通讯。请问光量子计算与
通用量子电脑有何不同？
张：光量子计算系统是针对特定问题而设计，当一个光量子系统设计好之后，由于光的晶
片、路径等都已经确定下来，无法中途改变，所以，它就只能对同一种问题做计算。光量
子计算的困难在于光会跑，而且是用光速在跑，不会回头。
也就是说，光子不会中途停止，一定会把整个计算做完。所以它跟一般的量子位元不一样
，一般的量子位元做完计算可以恢复原来的状态。光子跑完就没了，无法暂存，如果要重
启计算，要再给予新的光子。光量子计算对于一些传统电脑难以解决问题，例如最佳化以
及取样的问题，有很大的帮助。
Q. 量子通讯用的也是光量子技术，它和现在以光纤传输资讯，有什么不同？
张：过往的光通讯是用“有没有光”来当 0 跟 1 两种状态，量子通讯则是用光的量子态
来当 ０ 跟 １，把讯息全部都用量子态编码，这就是量子通讯的基本概念。而量子通讯
的好处是因为窃取的动作会干扰量子态，因此资讯不容易被窃取，或者说外人无法在不被
发现的情况下窃取资讯。这种通讯方式可以透过量子的性质本身，来保护资讯安全。
Q. 意思是说，量子通讯的发展不是为了让资讯传输得更快，而是为了更安全？
张：对，其实这也牵涉到量子电脑的发展。因为量子电脑的一个重点，就是可以破解现今
最常使用的密码系统 RSA（知名的非对称加密算法）。虽然量子电脑可能不会那么快发
展出来，可能还要再等几十年，但仔细想想，有没有什么资料其实必须保密几十年呢？
有心人士可以现在就先截取讯息，等几十年后有了量子电脑再来进行破解。基于这个原因
，量子通讯的加密技术必须走得比量子电脑更快才行。
Q. 量子通讯现在发展到什么程度了？有什么困难点？
张：在目前的各种量子技术中，量子通讯应该是发展最快的，它有一些难度，但没有量子
电脑那么难。很好的量子通讯系统，要有好的单光子光源、高效率的侦测器，以及不会破
坏量子态的传输通道。
好的单光子光源以及侦测器都不容易制作，但是因为量子通讯很重要，所以大家开始用替
代的光源，比如把雷射光降到非常弱，弱到一次只会跑出一颗光子，侦测器的效率可能也
只要六七成。这样的话，尽管不是那么完美，但还是可以得到量子通讯的好处。
传输通道则是另一个困难点。讯息在传输过程中会慢慢衰减，所以目前的光纤每隔一段距
离都有放大器，但放大器却会对量子讯号造成干扰。清华大学褚志崧副教授团队，为量子
国家队光量子研究团队之一，他们就在进行这方面的研究，透过推动小组协助与中华电信
建立合作，接下来就要在新竹、杨梅之间找到一条没有经过放大器的光纤进行长距离量子
通讯测试。
还有一种发展趋势，就是往天上走，以卫星或低轨卫星来做量子通讯，这也是另一个较不
受干扰的做法。
单光子光源的挑战
量子通讯光源即便有点不尽完美，但仍可接受，不过光量子计算就不行了。光量子计算必
须有良好的单光子光源及高效率的侦测器，才能正确地让光子在系统中进行运算，并准确
侦测输出的结果。因此，“如何制造出好的单光子光源？”是张文豪以及其他光量子研究
团队的重要挑战。
单光子光源指的是“一个时间点只会放出一个光子”的光源。从原理来说，这样的光源是
一个单一的二能阶系统，也就是“基态—激发态”，当一个位于基态的电子获得能量，跃
迁到激发态，然后从激发态掉回基态时，就放出一颗特定波长的光子。
在这样的二能阶系统中，只要有一颗电子跃迁到激发态，在它还没掉回基态前，我们无法
激发另一颗电子到激发态去，张文豪形容：“所以这就像捷运的闸门，前一个没过去之前
，后一个进不来。”也因为这样的机制，每次就只能放出一颗光子。
那么，要在哪里找到这样的二能阶系统呢？科学家最一开始的想法是用“单一原子”，例
如钠原子。但要把单一个原子分离出来太困难了，所以到了公元 2000 年后，科学家转而
从半导体制程上，寻找制造出单光子光源的“人造系统”，而目前有两种最主要的做法，
一个是制造“量子点”，一个是制造“缺陷”。
量子点是利用半导体制程做出的一个小体积物体，通常是将两种不同材料叠起，因为彼此
间的应力而凸起成一个“岛状物”，外面再用另一种材料包覆。这个岛状物里面会产生类
似于原子的能阶，所以也被称为“人造原子”。
除此之外，在晶体中制造出某些特定的缺陷，也能达到单一光子源的效果。这类缺陷中最
常见的就是钻石里的“NV center”，意思是在钻石晶体结构中，其中一个碳由氮（N）取
代，这个氮的隔壁又有一个碳被拿掉，出现一个空缺（Vacuum）。这样的缺陷里也会产生
上述的二能阶系统，可以如单一原子、量子点一样，放出单光子。
Q. 是否可以比较量子点与材料缺陷这两种做法，各有什么优缺点？
张：目前为止做得最好的单光子光源其实是量子点，可以产生几乎完美的单光子，但是它
必须在低温环境下才能运作。而材料缺陷则大部分可以在室温下运作。
我们还必须考虑单光子光源所放出的光子，是否处于我们需要的波段。举例来说，在目前
的光纤里，光波长约在 1310～1550 奈米，因为这是损耗很低的波段。而前述的钻石 NV
center 产生的光，则固定是 600 多奈米的红光，波长还不够贴近光纤传输波段。
现在有许多团队，都在尝试从钻石里制造出其他缺陷，以符合光纤传输的波段，也有人开
始尝试其他材料，例如被称为第三代半导体的碳化硅。
Q. 单光子光源未来还会往哪个方向发展？理想的单光子光源是什么样子？
张：我们也希望单光子光源，可以用脉冲来激发，让光子出现的时间差都是固定的。脉冲
雷射激发是像机关枪一样，一打开光子就以相同的间隔，源源不绝地出来。更理想的情况
是，我们如果能把单光子光源做成电激发的元件，就可以在我想要有光子的时候，就打出
一道脉冲，产生一个光子。
以目前的半导体制程，有成功做到过打一道脉冲、换一个光子的过程，但必须在低温操作
，效率也不理想。
Q. 您的研究团队最近尝试以二维材料制造单光子光源，这部分目前有什么进展？
张：我们最近使用的二维材料是六方晶格的氮化硼（hBN），用来做室温的单光子光源。
氮化硼蛮有趣的，就像二维的钻石，宽能隙又是绝缘体，不太和其他东西起作用，里面的
缺陷也会形成单光子。
我们几年前跟台积电合作，用化学气相沉积（CVD）做出晶圆尺寸的大面积氮化硼，并发
表在《自然》（Nature）期刊上。我们未来可以透过这技术进行“缺陷工程”，也就是控
制在哪里制造出缺陷，产生单光子辐射的阵列。例如用聚焦离子束打掉其中某些位置的原
子．再透过热处理修复。先破坏再建设，才能产生缺陷。这个技术以目前来说，还是很有
挑战性。
Q. 二维材料最近似乎有愈来愈火红的趋势？
张：在过往的传统半导体研究中，往往将二维材料当成垃圾，不过现在，垃圾变成黄金了
。以前这种材料是被用来当固态润滑剂，因为层与层之间很容易剥落、滑动，根本没什么
用处。
但自从石墨烯出现之后，大家才意识到二维材料的好处，而且何必一定要用石墨烯？有一
大堆半导体材料都是这样一层一层的，把它们拿来做电子元件不是更好？所以现在很多人
都在做二维半导体材料。
抓到了！真的是单一光子！
尽管有了制造单光子光源的方法，但该如何确认放射出来的是单一光子呢？
张文豪解释，单光子的定义是同一时间点只放出一个光子，“所以是同一时间只有一颗，
并不是真的只放出一颗。”换句话说，光子其实是像机关枪一样，源源不绝地一直从光源
放射出来的，而且每个光子之间的时间间隔也并不平均。
测量是否为单光子的方法称为“HBT 实验装置”，包含一个分光镜、两个侦测器（D1 与
D2），以及一个可以决定要启动计时或停止计时的计时器。
当每一个光子遇到分光镜时，会随机前往 D1 或 D2，如果 D1 侦测到光子，计时器就会
开始计时；如果 D2 侦测到光子，则会停止计时。因为光子是随机前往 D1 或 D2，所以
每一次停止计时，可能测到是两个、三个、或四个……不等的光子出发间隔时间。
如果有两个光子是同时出发，且它们正好分别通过 D1、D2，那么就会测到一组间隔时间
为０的数据。所以相反的，如果测量出的结果中，完全没有间隔时间为０的数据，就可以
确认光源是单光子光源。
张文豪指出，HBT 实验装置要准确，也考验两个侦测器的敏锐度。“目前效率最好的是用
超导体来做侦测器，不过这样的话，侦测器也得在低温环境。”
Q. 除了单光子光源与侦测器外，光量子计算还需要哪些相关的技术配合？
张：光量子计算还是必须在光量子芯片上运作，用的是积体光学，就像积体电路一样，只
是用波导取代电线、光子取代电子。这其中的制程必须让光能在芯片里前进、转弯，做一
些操作。中央大学陈彦宏特聘教授的团队，是量子国家队光量子研究团队之一，主要工作
就是开发光量子芯片。
Q. 台湾发展量子科技的前瞻性或潜力如何？我们有什么优势？
张：台湾早期生产很多电脑，当时我们做的事情主要是零组件的开发、组装，所以我常笑
称是一种“伪高科技组装业”。可是台湾现在已经不一样了，台湾从这个组装业，慢慢掌
握关键的制程，当产业供应链整个建构起来之后，现在变成了全世界很重要的制造中心。
如果未来量子电脑量产，台湾绝不可能缺席，也不能缺席。为此，我们必须知道，从零到
有把一台量子电脑建构起来需要多少技术。这是一个庞大的系统工程，需要各种人才与技
术。我们要知道每个技术细节，才会知道国内各研究单位、法人，以致于工研院、经济部
和产业界，各自可以扮演什么角色。
Q. 成立国家队来发展量子科技，是为了整合资源的考量？
张：台因为我们的人力与资源都有限，所以必须透过整合的方式，各团队做自己擅长的部
分，再用系统整合把大系统建构起来。最重要的目的，是在每一个环节把技术与人才建立
起来。
我们推动小组还找了中研院天文所的王明杰研究员来当总工程师，他负责连结各团队的不
同技术，横向整合。为什么找上天文背景的王明杰博士？这很有趣。
第一个原因在于王明杰是超导材料与侦测器的专家，因为天文观测里要侦测很微弱的讯号
，他们必须要发展非常灵敏的侦测器。
第二个原因是，天文研究都是国际性的大团队，例如盖一座大型天文台，各国不同的单位
个别负责开发部分技术且为了同一个目标努力，需要有总工程师来连结各团队所开发的技
术，透过系统工程变成最后的系统。做天文观测的人比较有这样跨团队组大系统的经验，
所以我们就请他来协助。
Q. 量子科技现在还没有发展出产业，培养出的人才怎么办？
张：量子科技并不是全新的技术，而是范围很广的跨领域技术，所以你学会了这些技术，
仍然可以在现有的科技产业发挥所长。等到有一天公司需要投入量子科技的时候，尽管公
司老板可能没有量子的知识和概念，但公司里有这些背景知识的人才就可以立即参与。
所以人才是最重要的，我们必须现在就开始把量子的 DNA 植入产业界。如果等需求出现
才开始培育人才，就来不及了。
Q. 中研院预计在南部院区建立量子研发基地，可否谈谈这部分的规划？
张：我们预计在 2023 年下半年进驻南部院区的研究大楼II，建置一些制程与量测的核心
设施。此外，还会盖一栋“量子实验大楼”，主要做一些精密的量测，也包含一部分精密
制程。
未来，这个量子研发基地将会是一个提供国内产学研单位进行量子科技研究的基地，所建
置的核心设施也将开放给其他研究团队进驻使用进行研发，有点类似国家同步辐射中心，
透过建置一个大型的量子科技实验场域，让需要的国内外团队共同使用。
这也是希望能横向、纵向整合资源，不要重复投资。毕竟我们资源有限，应该集合大家的
力量，携手共同迈向台湾量子新世代。
4.附注、心得、想法︰
※ 40字心得、备注 ※
既然要研究量子
那应该要钻研更理论的量子力学层次
也就是研究时光机跟平行宇宙
把党国遗孽统派9.2跟中国
一起丢去平行世界
大家皆大欢喜
※ “Live”、“新闻”、“转录”此类文章每日发文数总上限为3篇，
自删与板主删除，同样计入额度 ※