量子追想曲--成大前沿量子科技研究中心
- 物理專文
- 撰文者：陳岳男
- 發文日期：2019-12-02
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量子科技是近年來最受矚目也最具潛力的前瞻領域，而其中的量子計算與量子通訊，被預期有可能改變人類生活，帶領人類邁入第四次工業革命的主力科技之一。其中，量子電腦更在此扮演至關重要的角色，主要原因是包含人工智慧、物聯網等各式各樣會運用且依賴強大電腦數位運算能力之科技及產業，其未來發展及所能發揮之能力都將受限於電腦的運算效能。許多專家學者因此認為，唯有成功地開發出量子電腦，方能真正發揮像人工智慧、物聯網等未來科技及產業的潛力。
在短短幾年間，全球量子科技的發展腳步，不論在科學界、企業界、還是政府政策面都加快了節奏，為量子科技的實現與應用增加了很大的信心。科學家對此新穎領域的探索，每每有顛覆性的重大發現，高科技巨擎輪番展示令人驚嘆的最新突破，而世界大國的政府更在這劃時代的全球競賽中，積極搶佔未來的一席之地。2018年10月，歐盟執行委員會在維也納正式啟動了量子旗艦計畫 (Quantum Flagship Program)，是一個投資規模高達10 億歐元以上的大型研發創新倡議，為期長達十年，集結超過五千位以上的研究家，共同為歐盟在量子科技的領導地位和卓越成就而努力，寄望發展出有競爭力的量子科技產業，並讓歐洲成為一個對於創新研發、商業投資而言有活力和吸引力的地方。緊接著在同年12月，美國國會通過了國家量子倡議法 (USA National Quantum Initiative)，其主要目標就是建立一個十年的計劃，加速發展量子資訊科學與技術的應用；其中，並指示由美國國家標準暨技術研究院 (National Institute of Standards and Technology, NIST) 定義未來量測、標準、網路安全等相關需求以輔助產業發展。其他國家像是澳大利亞、中國、日本、韓國、新加坡、英國等也都有相當有抱負的規劃和作為。 
第一次量子旗艦計畫裡每個領域申請的計畫量 (左) 和通過審核的計畫數 (右)
成功大學在量子科學領域深耕十餘年，獨具發展優勢。研究成果的質與量，不僅在國內是首屈一指的佼佼者，在量子資訊和量子元件兩個領域有豐碩的成果。除了全國首創的量子資訊科學研究中心外，長期以來執行國家理論科學研究中心「量子資訊研究小組」計畫。實驗部分，則具有關鍵的高階量子設備建置能力，在全國佔有權威地位；也具有精密量子元件的設計與製作技術，和長期累積之檢測經驗。成大團隊成員們到目前為止，已發表豐碩的學術研究成果在國際頂尖期刊，如Nature、Science、Nature Nanotechnology、Nature Materials、Nature Physics、Nature Communications、Science Advances、Physical Review Letters 及其他前10%及IF > 10之國際期刊。其中許多成員們更榮獲國內外具指標性的科學研究獎項，如科技部傑出研究獎、吳大猷先生紀念獎、教育部玉山青年學者、中研院年輕學者著作獎、傑出人才發展基金會年輕學者創新獎等。
國立成功大學不論在研究主題、研究成果、研究團隊各方面都獨具優勢和長期發展性。也因為有如此的深厚基礎，成功大學的量子科技團隊成功的在2018年申請到科技部工程司的旗艦型量子電腦專案計畫，與台大、清大以及中央大學一同為追求量子電腦所需的技術而努力。而國立成功大學在學校方面，也十分重視量子科技領域的發展，在校長的全力支持之下，也預計將在2020年初成立一個校級的量子中心--「前沿量子科技研究中心」(Center for Quantum Frontiers of Research & Technology)，簡稱為QFort，以台南安平古堡 (AnPing Fort) 來作為中心的在地連結。
成大前沿量子科技研究中心 (QFort) 之Logo
成大前沿量子科技研究中心有主要三大研究主軸：「量子理論」、「量子材料」、「量子元件與電腦」。目前規劃之研發目標都是當前全世界量子科技之重大問題，具有極高的挑戰性。此外，我們選擇專注於未來能夠與產業整合的固態系統，由於半導體電子產業的蓬勃發展，固態系統下之量子位元被視為最有可能成為未來量子電腦的候選人之一，究其原因，就是因為固態量子位元具有最佳量產的特性，而且非常有機會能與現有產業技術做結合。以下依序介紹中心在未來三個研發主軸的目標。
量子理論
本團隊有許多成員長期耕耘在量子資訊與量子電腦的研究領域，成果執全國之牛耳。基於上述扎實之研究基礎，理論成員將持續致力於量子糾纏操縱理論之建立，而實驗成員則著重在設備建置，以及運用已建立起的量子元件自製能量而進行量子位元元件開發。在本團隊已有良好基礎與成果的優秀理論與實驗成員的密切合作下，預計在中期建立起固態量子位元，以及由本團隊成員所發展之「時間量子操縱」理論 (Temporal Quantum Steering)，並以半導體量子位元為基底的非凡 (non-trivial) 量子感測元件。往實現雙電子自旋糾纏態 (雙位元邏輯閘) 之備置與量測，以及量子亂數產生器此二長程目標邁進。
量子元件與電腦
在量子元件的開發上，將運用量子材料天生的量子效應，製作出運算特性超越傳統電子元件的結構。如同今日半導體電子產業一樣，在發展量子電腦等下世代量子科技中，能否掌握各式量子元件及晶片的設計、開發與製程至關重要。握有量子元件開發及製程之關鍵技術及其專利，便掌握未來量子科技的核心。目前量子元件製作能大多藉由與國外頂尖團隊合作而成，這將有礙於未來發展。因此本中心主要發展策略及目標為結合現有高端製程技術的基礎及經驗，建立起量子元件國內自製之能量。初期將可藉超導半導體量子元件的研發過程，有效地建立起關鍵Know-how 與技術。此外，亦著重建立國內第一個複合量子位元所需之相關低溫高頻量測系統。而中期目標將聚焦在製作出結合超導量子電路之量子複合位元與天使粒子元件兩大核心元件，以期在長程規劃中建立世界領先的量子電腦與科技。
量子材料
隨著新世代量子革命的發展演進，傳統以矽半導體為基礎的各類元件效能及設計自由度受到了先天只考慮電子電流效應的限制，而量子材料的應用則利用自旋、晶格、軌域、電荷等對稱性與導電性，以及拓樸性等各類交互作用，進而帶入各類相關電、光、熱、力、磁等豐富的量子應用前景。中心將與多個材料成長專長的研究團隊垂直整合，並以原子/奈米級精密量測的能量為基礎，建立快速的量子材料開發鏈，其中，短程將以各式量子材料成長為主，包含二維量子材料、低維氧化物量子系統、低維度高溫超導材料、與拓樸材料，並以實現新穎量子特徵為基礎。而中程將藉由中心特有的整合式量子材料磊晶平台，進行室溫量子系統與量子複合系統的開發。長期目標將建立在有效控制量子元件均勻性，並進而達成大面積量產化之目標，以建立3H 量子晶圓產業的核心目標。
總而言之，量子電腦產業將是未來的新興科技產業，近年已逐漸萌芽，以飛快的速度從實驗室走向應用，成大前沿量子科技研究中心預計與國外頂尖團隊的合作，製造出量子元件。中心成立後，更將結合台灣高端半導體製程技術的基礎和經驗，建構在台灣就能夠獨立設計與製作量子元件和晶片的能力，掌握設計、開發、製程等方面的關鍵技術與智慧財產權。本中心期望能夠成為國際級的頂尖量子科技研究中心，讓未來的台灣成為量子電腦供應鏈中的關鍵技術供應者，如同台灣目前在全球半導體產業中的重要角色。
延伸閱讀：探索量子與古典間的灰色地帶
量子運算：纏結態與閘傳送
第一次量子旗艦計畫裡每個領域申請的計畫量 (左) 和通過審核的計畫數 (右)
成功大學在量子科學領域深耕十餘年，獨具發展優勢。研究成果的質與量，不僅在國內是首屈一指的佼佼者，在量子資訊和量子元件兩個領域有豐碩的成果。除了全國首創的量子資訊科學研究中心外，長期以來執行國家理論科學研究中心「量子資訊研究小組」計畫。實驗部分，則具有關鍵的高階量子設備建置能力，在全國佔有權威地位；也具有精密量子元件的設計與製作技術，和長期累積之檢測經驗。成大團隊成員們到目前為止，已發表豐碩的學術研究成果在國際頂尖期刊，如Nature、Science、Nature Nanotechnology、Nature Materials、Nature Physics、Nature Communications、Science Advances、Physical Review Letters 及其他前10%及IF > 10之國際期刊。其中許多成員們更榮獲國內外具指標性的科學研究獎項，如科技部傑出研究獎、吳大猷先生紀念獎、教育部玉山青年學者、中研院年輕學者著作獎、傑出人才發展基金會年輕學者創新獎等。
國立成功大學不論在研究主題、研究成果、研究團隊各方面都獨具優勢和長期發展性。也因為有如此的深厚基礎，成功大學的量子科技團隊成功的在2018年申請到科技部工程司的旗艦型量子電腦專案計畫，與台大、清大以及中央大學一同為追求量子電腦所需的技術而努力。而國立成功大學在學校方面，也十分重視量子科技領域的發展，在校長的全力支持之下，也預計將在2020年初成立一個校級的量子中心--「前沿量子科技研究中心」(Center for Quantum Frontiers of Research & Technology)，簡稱為QFort，以台南安平古堡 (AnPing Fort) 來作為中心的在地連結。
成大前沿量子科技研究中心 (QFort) 之Logo
成大前沿量子科技研究中心有主要三大研究主軸：「量子理論」、「量子材料」、「量子元件與電腦」。目前規劃之研發目標都是當前全世界量子科技之重大問題，具有極高的挑戰性。此外，我們選擇專注於未來能夠與產業整合的固態系統，由於半導體電子產業的蓬勃發展，固態系統下之量子位元被視為最有可能成為未來量子電腦的候選人之一，究其原因，就是因為固態量子位元具有最佳量產的特性，而且非常有機會能與現有產業技術做結合。以下依序介紹中心在未來三個研發主軸的目標。
本團隊有許多成員長期耕耘在量子資訊與量子電腦的研究領域，成果執全國之牛耳。基於上述扎實之研究基礎，理論成員將持續致力於量子糾纏操縱理論之建立，而實驗成員則著重在設備建置，以及運用已建立起的量子元件自製能量而進行量子位元元件開發。在本團隊已有良好基礎與成果的優秀理論與實驗成員的密切合作下，預計在中期建立起固態量子位元，以及由本團隊成員所發展之「時間量子操縱」理論 (Temporal Quantum Steering)，並以半導體量子位元為基底的非凡 (non-trivial) 量子感測元件。往實現雙電子自旋糾纏態 (雙位元邏輯閘) 之備置與量測，以及量子亂數產生器此二長程目標邁進。
量子元件與電腦
在量子元件的開發上，將運用量子材料天生的量子效應，製作出運算特性超越傳統電子元件的結構。如同今日半導體電子產業一樣，在發展量子電腦等下世代量子科技中，能否掌握各式量子元件及晶片的設計、開發與製程至關重要。握有量子元件開發及製程之關鍵技術及其專利，便掌握未來量子科技的核心。目前量子元件製作能大多藉由與國外頂尖團隊合作而成，這將有礙於未來發展。因此本中心主要發展策略及目標為結合現有高端製程技術的基礎及經驗，建立起量子元件國內自製之能量。初期將可藉超導半導體量子元件的研發過程，有效地建立起關鍵Know-how 與技術。此外，亦著重建立國內第一個複合量子位元所需之相關低溫高頻量測系統。而中期目標將聚焦在製作出結合超導量子電路之量子複合位元與天使粒子元件兩大核心元件，以期在長程規劃中建立世界領先的量子電腦與科技。
量子材料
隨著新世代量子革命的發展演進，傳統以矽半導體為基礎的各類元件效能及設計自由度受到了先天只考慮電子電流效應的限制，而量子材料的應用則利用自旋、晶格、軌域、電荷等對稱性與導電性，以及拓樸性等各類交互作用，進而帶入各類相關電、光、熱、力、磁等豐富的量子應用前景。中心將與多個材料成長專長的研究團隊垂直整合，並以原子/奈米級精密量測的能量為基礎，建立快速的量子材料開發鏈，其中，短程將以各式量子材料成長為主，包含二維量子材料、低維氧化物量子系統、低維度高溫超導材料、與拓樸材料，並以實現新穎量子特徵為基礎。而中程將藉由中心特有的整合式量子材料磊晶平台，進行室溫量子系統與量子複合系統的開發。長期目標將建立在有效控制量子元件均勻性，並進而達成大面積量產化之目標，以建立3H 量子晶圓產業的核心目標。
總而言之，量子電腦產業將是未來的新興科技產業，近年已逐漸萌芽，以飛快的速度從實驗室走向應用，成大前沿量子科技研究中心預計與國外頂尖團隊的合作，製造出量子元件。中心成立後，更將結合台灣高端半導體製程技術的基礎和經驗，建構在台灣就能夠獨立設計與製作量子元件和晶片的能力，掌握設計、開發、製程等方面的關鍵技術與智慧財產權。本中心期望能夠成為國際級的頂尖量子科技研究中心，讓未來的台灣成為量子電腦供應鏈中的關鍵技術供應者，如同台灣目前在全球半導體產業中的重要角色。
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量子運算：纏結態與閘傳送