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美國普林斯頓大學：採用合成鑽石製作量子通信網絡關鍵部件！

MIT日前在期刊《自然》發表量子運算的相關論文，MIT研究人員發現，利用鑽石內氮原子空缺中心的特性，可以提升量子運算疊加態特性的穩定性，而這項發現有機會突破目前研發可靠的量子電腦的障礙。

MIT
麻省理工學院（MIT）的研究人員發現，在量子裝置內使用合成鑽石，可以維持量子運算疊加態特性的穩定性，並在期刊《自然》（Nature）發表相關論文，而MIT的這項發現對研發出可靠的量子電腦邁出重要的一步。

量子運算是一種利用量子邏輯來執行電腦運算的技術，而量子運算的基本單位是量子位元（Qubit），不同於傳統的運算位元只會處於0或1的狀態，量子位元因為疊加態（Superposition）的特性，可以處於0和1之外的其他狀態，而這也是加速量子電腦運算速度的關鍵。

但是疊加態特性容易受處理器的熱能、輻射等干擾，造成量子運算產生錯誤，要維持量子運算的穩定性並不容易，這也是目前研發大型且通用的量子電腦的主要障礙。

MIT表示，在大多數的工程領域中，維持一個物理系統穩定性的最好方式就是回饋控制，而回饋控制就是以目前所測量的物理系統狀態為基礎，並在此基礎上製作一個控制信號，來維持系統在期望的狀態中運作。不過，使用回饋控制的方式來穩定量子系統的問題是，測量量子系統的狀態會破壞量子的疊加態。

而MIT的研究人員為了避免破壞量子的疊加態，利用鑽石內的氮原子空缺中心（Nitrogen-Vacancy Center in a Diamond）的特性，使用量子控制因子取代傳統的控制因子來執行回饋控制。

一顆純鑽石是由碳原子排列成規則的晶體結構所組成，而鑽石內的氮原子空缺中心就是，如果碳原子核從晶體結構中遺失，就會造成空缺，且該空缺鄰近的一個碳原子被氮原子取代時，便形成氮空位缺陷。

當鑽石受到較強的磁場影響時，氮原子空缺中心的電子自旋可以向上、向下，或是2者的量子線性疊加，而這就是形成量子運算的量子位元。另外，根據MIT，因為氮原子空缺中心的量子位元可以和其他量子位元一起執行運算，如果運算過程中出現錯誤，則會反映在氮原子核的自旋。而MIT研究人員就是透過這樣的方式來建立量子運算的回饋系統，並避免破壞量子的疊加態特性。

此外，MIT研究人員也解釋，因為氮原子空缺中心量子位元本身的物理結構特色，讓合成鑽石增加量子運算穩定性所需的離子或原子可以免除使用複雜的硬體來捕捉，且鑽石內的氮原子空缺中心可以透過自然光來讀取訊息，讓氮原子空缺中心量子位元比起其他種類的量子位元來得好。

量子物理學的第一次：在鑽石中操縱的電子軌道
Arnold • 2018年4月19日 • 量子物理 • 
雖然鑽石中的缺陷大多是不受歡迎的，但某些缺陷是量子物理學家最好的朋友，有可能儲存一些有可能用於量子計算系統的信息。

康奈爾大學的應用物理學家已經展示了一種用於設計這些缺陷的一些關鍵光學特性的技術，為探索量子力學提供了一種新工具。

由應用和工程物理學教授Greg Fuchs領導的一組研究人員成為第一個使用諧振器產生的振動來幫助穩定這些光學特性，迫使鑽石的電子進入激發軌道狀態的團隊。該研究在“物理評論快報”雜誌4月17日發表的論文《使用機械共振器研究鑽石氮空位中心的軌道狀態操縱》中有詳細介紹。

量子物理學的第一次：在鑽石中操縱的電子軌道

就像計算機的晶體管通過“開”或“關”記錄二進制信息一樣，這些原子級鑽石缺陷的內部狀態也可以表示信息位，例如其自旋– 角動量的固有形式– 是“向上“或”向下“。但與不同的晶體管不同，晶體管只有兩種狀態，它們具有同時上下的量子能力。這些量子態結合使用時，可以比晶體管更好地記錄和共享信息，使計算機能夠以一種難以想像的速度執行某些計算。

挑戰：難以將量子信息從一個地方轉移到另一個地方。物理學家已經嘗試了許多材料和技術，包括在被稱為氮空位中心的鑽石原子缺陷內使用光學性質。

“鑽石氮空位中心的一個優勢就是溝通。所以你可以有一個電子自旋，這是一個很好的量子態，那麼你可以將它的狀態轉換成光子的光子，“Fuchs說，他補充說，光子可以將這一點信息帶到另一個缺陷。“這樣做的挑戰之一就是穩定它並使其按照你想要的方式工作。我們已經提供了一個新的工具箱，用於光學過渡，希望能夠使其更好。“

研究團隊首先需要設計出一種能夠通過鑽石缺陷發出振動波的裝置。用單晶金剛石製作了一種giga赫茲-頻率機械諧振器，然後通過缺陷發出大約1千兆赫的聲波振動。

目標是使用聲音來改變缺陷的光學躍遷，其中從一種能量狀態到另一種能量狀態的變化導致發射光子。這些轉換傾向於基於各種環境條件而波動，使得難以產生相干光子來攜帶信息。

舉例來說，隨機波動的電場可能會使光學轉換波長不穩定，據領導這項研究的博士生Huiyao Chen說。

“為了抑制這些不連貫波動的影響，”陳說，“我們可以做的一件事是消除電子軌道和不需要的隨機電場之間的耦合。這就是諧振器產生的聲波起作用的地方。“

為了知道實驗是否奏效，研究團隊使用帶有可調波長激光器的顯微鏡掃描鑽石的氮空位中心。當激光的波長與光學躍遷共振時，可以看到發射的光子，這是電子已經達到激發態的一個可靠指示。研究人員隨後研究了聲波如何改變軌道狀態，從而改變光學過渡。

具高速運算優勢的量子電腦（Quantum Computer）被認為是下一世代驅動人工智慧、醫療、通訊、半導體等重要變革的技術。台灣在全球半導體產業中名列前茅，量子電腦出現後，對以矽為基礎的半導體產業將產生什麼影響？台灣是否還能維持領先？成為近期關注議題。

量子電腦來了！去年11月，IBM宣布研發出全世界第一台50量子位元（qubit）的量子電腦，並在年初CES 2018中正式亮相；同一時間，在會場的另一端，英特爾（Intel）則展示49量子位元測試晶片。兩家IT大廠互相較勁，宣告量子電腦即將邁入商業化，引發市場高度重視。

矽光子實用化 提高量子電腦實用性
至於在5年內即將廣泛運用的矽光子部分，史丹福大學電機系教授Jelena Vuckovic指出，光子學（Photonics）應用廣泛，從光通訊、傳統和量子運算到感測與成像等皆需要，為科技業明日之星；然而，現有光源技術產生的光子體積大、效率低，且易受環境影響造成損耗，阻礙光子學的實用化。

為此，史丹福大學研究團隊捨棄了傳統直覺式設計方法，考量製造限制與結構穩健性的平衡下，透過參數化過程，開發可持續優化奈米光學結構的演算法。Jelena Vuckovic指出，這一套演算法會利用人工智慧來協助設計，因此可精確模擬光在不同材質與參數下的路徑，並設計出符合預期的迴路。

除了光子積體電路，史丹福大學研究團隊的自動化奈米結構設計演算法，也可運用在鑽石晶格內，創造高效率的矽空隙色心（SiV color center）以捕捉更多光子，提高量子電腦硬體的實用性。

 
發展異質整合　半導體晶片可續強大
工研院電子與光電系統研究所組長林建中指出，雖然每隔1~1.5年，半導體晶片功能可強大2倍的摩爾定律，在未來10年內仍然有效，不過，也有很多人擔心盡頭即將到來；當傳統矽晶片透過曝光、顯影等製程技術而來到極限時，透過異質整合技術的非傳統晶片，成了讓半導體晶片功能繼續強大的解決關鍵。

他表示，異質整合是將不同晶片透過封裝或其他技術放在一起，使晶片功能更強大；例如，過去記憶體與中央處理器的晶片是分開的，如今，兩者整合已成為趨勢，不僅如此，包括把感測器與非矽材，如LED或通訊晶片等結合在一起，也是現在半導體產業的熱門方向。

早在10年前，工研院就已經投入相關領域的研發，包括台積電的晶圓級封裝技術InFO（Integrated Fan-Out）、矽光子技術（Silicon Phonotics）、微發光二極體（Micro LED）等，都是半導體異質整合的應用案例。

目前擔任科技部前瞻量子科技研究中心計畫主持人、清華大學物理系教授牟中瑜認為，類比傳統積體電路的發展，量子電腦尚處於摸索與突破的真空管年代，但因量子位元具有量子糾纏（quantum entanglement）的特性，兩個量子位元在很遠的地方仍可互相溝通，且任一個狀態被改變了，另一個也會跟著變化，可運用此特性開發不會被破解的保密功能。

牟中瑜指出，量子通訊的重要性，完全不亞於量子計算，透過量子密碼來傳輸資料，不但可以完全保密，任何竊聽也都會被發現；另外，量子雷達的發展甚至可讓隱形戰機藏不住，這些都是量子科技的破壞性威力，也引發各國競爭投入資源來開發。

至於量子電腦何時可以取代現有超級電腦5%的市占率呢？與會者多數認為還需要10~15年的時間，讓技術應用逐漸成熟，顯示量子電腦尚有許多技術瓶頸待突破，台灣產業需及早掌握先機，布局卡位，搶占下一世代的關鍵技術！