矽光子與量子通訊－兼論產業發展政策的綜效

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·       林育中

·       2018/9/20

矽光子與量子通訊的發展雖然表面上應用差距很大，但是底層技術卻是息息相關。Joint Quantum Institute

日本政府制定後摩爾定律時代半導體發展的方向有三，MRAM、矽光子以及量子電腦。這3個方向有一些共同的特點：一為都需要新材料，而材料產業正是日本的強項；二是這些元件目前毋需先進的半導體製程，所以發展新元件時毋需先追趕已然落後的半導體製程；三為這些元件都適用於不久之後即將到來的高速安全通訊及計算。所以在製定策略時還有各領域發展的綜效。

更精細的聯結隱藏在矽光子與量子通訊之間。用量子電腦為名其實只是個概念性的通稱，量子信息(quantum information)才是全稱，它包括了量子計算、量子通訊以及量子感測(quantum sensing)。矽光子與量子通訊和量子計算的發展雖然表面上應用差距很大，但是底層的技術卻是息息相關。

矽光子與量子通訊都是光通訊的應用，但二者在技術的要求有所不同。一般矽光子的想法是，要儘量將長距離的光通訊訊號直接導入晶片之中，減少以前將光訊號轉換成電訊號後再以電訊號傳遞，所產生的能耗以及速度下降，能耗以及速度下降正是大量、高速通訊的罩門。因此矽光子儘量整合以前離散的光器件進入晶片。

在這個想法上，矽光子與量子通訊的要求是相同的。但是以前的矽光子由於是比較針對傳統的光通訊，光源強度越高越好，因此光源需要是雷射。但是由於矽的材料特性－間接帶隙(indirect band gap)－它無法產生雷射光，因此雷射光源整合進矽晶片中到目前一直都是個難題。至於在矽光子中偵測光訊號則相對簡單，用光子倍增器二極管(photon multiplier diode)即可，就是把光訊號放大。

量子通訊也是光通訊，所以所用元件大致也分為光源、調制器(modulator)和偵測器三部份，但是量子通訊要利用的是光子的量子性質，所以光源利用的是單一光子。要在矽上產生單一光子容易多了，可以用量子點，這很容易整合入矽晶片中。但偵測單一光子的量子性質難多了，無法用光子倍增器二極體測量，必須用在極低溫(2度K)的超導奈米線單光子偵測器(Superconducting Nanowire Single Photon Detector；SNSPD)，可能在短期的未來量子通訊與量子計算一樣，都需要維持在極低溫下操作。

即使在光源與偵測器上矽光子與量子通訊有很大的差異，但是在兩者之間種類繁複的調制器元件上二者相似的地方甚多，可以相互發明，這是在技術發展過程中可以產生綜效之處。另外，在市場上矽光子與量子通訊可能是殊途同歸，現在光通訊以矽光子技術減少能耗與加快速度，再加上安全的要求後，二者就合而為一了。這也可以看到日本政府制定後摩爾定律產業發展政策時的精細用心。