國際著名物理學(xué)家王肇中教授：量子技術(shù)有哪些神秘“疑團(tuán)”

4月19日，《半導(dǎo)體芯科技》雜志社負(fù)責(zé)人程麗娜與小芯一行拜訪了王肇中教授，雙方就量子通信、半導(dǎo)體領(lǐng)域等諸多方面展開對(duì)話，旨在縱深推進(jìn)業(yè)內(nèi)企業(yè)合作對(duì)接，共同探討多維度連接國內(nèi)外前沿技術(shù)，打通信息壁壘。此次采訪，王肇中教授對(duì)我社多本雜志給予了高度認(rèn)可與寶貴建議。

王肇中教授2012年來到湖北，是國際著名物理學(xué)家、國家納米科學(xué)中心首席科學(xué)家、法國格勒諾布爾大學(xué)博士，2015年度法國國家科學(xué)院終身成就獎(jiǎng)獲得者，光電行業(yè)領(lǐng)軍人才，主要從事量子通信核心技術(shù)——單光子光源的研制。王肇中作為產(chǎn)業(yè)領(lǐng)軍人才（國內(nèi)外頂尖人才），2015年入選武漢首批“城市合伙人”。

△王肇中教授

近日，我國科學(xué)家設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種相位量子態(tài)與時(shí)間戳量子態(tài)混合編碼的量子直接通信新系統(tǒng)，信息傳輸距離可以達(dá)到830公里（但速度太慢，離直接應(yīng)用很遠(yuǎn)），這是當(dāng)前世界最長的量子直接通信距離。由于量子技術(shù)本身的重要性，各國普遍在量子方面加強(qiáng)了科研規(guī)劃和布局投入。據(jù)中國信息通信研究院不完全統(tǒng)計(jì)，截至2021年10月，全球各國投資總規(guī)模已經(jīng)超過130億美元。量子技術(shù)正處于眾多應(yīng)用和領(lǐng)域的十字路口，涉及系統(tǒng)工程、材料研究、低溫技術(shù)、軟件、半導(dǎo)體和光子學(xué)等。雖然量子技術(shù)仍處于早期階段，但是潛力巨大。那么我國量子科技在發(fā)展過程中，有哪些謎題需要探索？哪些問題有待突破？我們特此邀請(qǐng)到王肇中教授對(duì)大家關(guān)心的問題進(jìn)行解答。

在解答之前，先帶大家，了解一下什么是量子通信？

國際頂級(jí)量子專家王肇中教授曾說，量子通信就是單模光纖兩端加上能代替常用光模塊功能的、光量子態(tài)的發(fā)送和接收設(shè)備，實(shí)現(xiàn)基于物理加密的保密通信。清華大學(xué)物理系教授王向斌也表示，量子通信簡單的說就是基于光的單量子態(tài)實(shí)現(xiàn)的通信手段，以完成經(jīng)典通信手段無法完成的通信任務(wù)，例如保密性任務(wù)等。

量子通信只有10多年的發(fā)展歷史，對(duì)中國來說并沒有很重的歷史包袱，因此在量子通信方面的研究，中國與國外諸強(qiáng)基本上從開始就站在同一起跑線上。資料顯示，中國在2012年初建成世界上規(guī)模最大的46節(jié)點(diǎn)量子通信試驗(yàn)網(wǎng)——合肥量子通信政務(wù)網(wǎng)，建成以來運(yùn)行良好；2012年，新華社和中國科大合作建設(shè)的金融信息量子通信驗(yàn)證網(wǎng)在北京開通，在世界上首次實(shí)現(xiàn)利用量子通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)金融信息的安全傳輸；2014年，世界第一條量子信息保密干線——“京滬干線”量子通信工程開工建設(shè)。

單量子探測器在通信里直接影響著量子保密通信的質(zhì)量，激光雷達(dá)是自動(dòng)駕駛不可或缺的關(guān)鍵部件，與攝像頭、毫米波雷達(dá)等共同構(gòu)成了自動(dòng)汽車感知外部世界的“眼睛”，當(dāng)帶有量子技術(shù)色彩的SPAD技術(shù)加持后，能提升激光雷達(dá)探測精度和速率，從而使無人駕駛車輛能達(dá)到第五級(jí)自動(dòng)駕駛水平，即最可靠的全天候的水平。

王教授表示，量子計(jì)算機(jī)是一種使用量子力學(xué)的計(jì)算機(jī)，它能比普通計(jì)算機(jī)更快更高效地執(zhí)行計(jì)算。量子計(jì)算機(jī)不光有強(qiáng)大的儲(chǔ)存能力，它的并行計(jì)算的能力也十分強(qiáng)大。就像在房間內(nèi)開燈，光可以在一瞬間穿過墻壁上的所有縫隙。量子計(jì)算機(jī)能夠進(jìn)行高速并行的量子計(jì)算，就是這個(gè)原理。

2021年10月中國科大發(fā)布的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)“祖沖之二號(hào)”，這一系列令人矚目的成果，標(biāo)志著我國已成為世界上唯一一個(gè)在超導(dǎo)和光量子兩個(gè)“賽道”上達(dá)到“量子優(yōu)越性”里程碑的國家。

王教授認(rèn)為，雖然量子計(jì)算機(jī)目前采用的是極低溫超導(dǎo)技術(shù)，但若今后要廣泛應(yīng)用的話，量子計(jì)算機(jī)還是要向室溫方向發(fā)展。在QIS（Quantum Information Science）中，量子計(jì)算機(jī)是重點(diǎn)。單光子探測器就是低溫或室溫量子計(jì)算機(jī)要用到的核心芯片，也是我們要做的產(chǎn)業(yè)化研發(fā)方向。

我國的量子通信水平位居世界前列，可以預(yù)見，在未來的5-10年內(nèi)，量子通信仍將處于不斷高速發(fā)展階段。

從王教授的分析中，我們獲悉量子通信有三個(gè)問題還沒解決，即信號(hào)復(fù)制、儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)運(yùn)，主要環(huán)繞通信的距離問題，量子通信想要達(dá)到五十公里以上是比較難的，傳輸途中光信號(hào)會(huì)有衰減，導(dǎo)致很難收到信號(hào)。五十公里以外就需要“接力站”協(xié)助，存在著復(fù)制、記憶、轉(zhuǎn)運(yùn)的難題。目前采用的技術(shù)是每過50公里，需要把量子信號(hào)換成經(jīng)典信號(hào)，放大后再換成量子信號(hào)，再傳到下一個(gè)50公里處。多次信號(hào)轉(zhuǎn)換后，量子通信的保密問題就成為了隱患，目前量子通信只適用于短距離的城域通信。

在城域通信中，量子通信是可以做覆蓋的。所以在發(fā)展方向上量子計(jì)算機(jī)，是光谷量子當(dāng)下需要做的事情。雖然，我國當(dāng)前已有在做室溫的量子通信團(tuán)隊(duì)，但仍然是一項(xiàng)龐大的工作。

現(xiàn)在特別火的第三代半導(dǎo)體都會(huì)用III-V族材料，未來APD芯片的發(fā)展方向，會(huì)不會(huì)取代傳統(tǒng)硅材料進(jìn)行更迭呢？

在過去20年里，基于III-V族半導(dǎo)體（即化合物半導(dǎo)體）技術(shù)的產(chǎn)品已經(jīng)從面向國防的小范圍應(yīng)用轉(zhuǎn)變?yōu)檫m用于光通信、移動(dòng)設(shè)備、無線網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星通信和光電子的賦能技術(shù)。所有這些用途的共同點(diǎn)是需要經(jīng)濟(jì)可行的解決方案，具有一流的前端性能，包括工作頻率、功率、效率、線性度和可靠性。在所有這些應(yīng)用中，化合物半導(dǎo)體的性能優(yōu)勢成為了連接全球數(shù)十億人的通信網(wǎng)絡(luò)最主要的技術(shù)。

在石英光纖中只有1550納米波長的光才能實(shí)現(xiàn)長距離傳輸、在單模光纖中的傳播。III-V簇半導(dǎo)體是直接能隙半導(dǎo)體，光電轉(zhuǎn)換效率高，再加上它發(fā)出的光適于在石英光纖中傳播。傳統(tǒng)硅材料是簡接能隙半導(dǎo)體，光電轉(zhuǎn)換性能差，發(fā)出的光因?yàn)椴ㄩL短不適于在光纖中傳播，應(yīng)用時(shí)要改成硅材料加III-V材料。目前在所有的硅光器件中，光的發(fā)射器都是用III-V族材料。這在可以預(yù)見的將來，都不可能改變的。所以所謂的硅光器件（指的是有源器件），都是用硅材料加III-V族材料。只有在硅光的無源器件可以只用硅材料。

王教授說，這是一個(gè)有意義的問題。在30年以前，我在法國就參與并討論過這個(gè)問題。我們知道III-V族半導(dǎo)體發(fā)端于上世紀(jì)60年代，在30年前我們發(fā)現(xiàn)在國際半導(dǎo)體器件市場里，硅基半導(dǎo)體占據(jù)95%市場份額；而30年后的今天這個(gè)比例沒有太大變化。盡管III-V簇載流子遷移率高，光電特性好，III-V族半導(dǎo)體發(fā)展迅猛，尤其是LED和光通信市場的快速發(fā)展，但在國際半導(dǎo)體器件市場中的占比沒有超過10%，今后也不太有可能超過這個(gè)比例。

王教授分析認(rèn)為有幾方面的因素：

?半導(dǎo)體制造工藝方面。國外的硅電子在半導(dǎo)體工藝的資金投入量是非常龐大的，每年的投入高達(dá)千億美元。這樣幾十年持續(xù)投入并發(fā)展下來，他們?cè)诠桦娮宇I(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)累積和工藝堆積是用萬億，十萬億美元的金錢堆出來的。由此來看，III-V族半導(dǎo)體的工藝、經(jīng)驗(yàn)等方面的資金投入量也就是每年百億美元級(jí)別，它對(duì)比硅基半導(dǎo)體來說，流片工藝遠(yuǎn)沒有到發(fā)展成熟階段。

?半導(dǎo)體材料方面。除了高昂的流片工藝投入，單晶硅的純度已經(jīng)非常純，純度能達(dá)到十二個(gè)九，十五年前就可以做到無位錯(cuò)、晶格完整度高，制備工藝成熟。而III-V族元素半導(dǎo)體的遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到像硅電子這樣的材料工藝成熟程度。

?化學(xué)元素資源儲(chǔ)量的地表豐度。硅元素廣泛存在于地球表面，獲取成本低廉；而III-V族元素相對(duì)稀缺，需要開采。銦的價(jià)格近十年來漲了好幾倍。由此我們可以預(yù)計(jì)在接下來的一段時(shí)間內(nèi)硅基半導(dǎo)體仍是電子器件市場的主流。

高科技工業(yè)領(lǐng)域存在贏者通吃的“猴王”現(xiàn)象。在硅基半導(dǎo)體方面，我國與國外先進(jìn)技術(shù)的差距較大，Intel是“猴王”，我們只能處于跟跑狀態(tài)。但在III-V族半導(dǎo)體方面，這個(gè)領(lǐng)域的“猴王”沒有出現(xiàn)，我們與國外的沒有太大的差距，我們要加大投入埋頭苦干，有機(jī)會(huì)誕生“猴王”級(jí)的企業(yè)。

說回到光電子方面，在國際光電子技術(shù)的發(fā)展，很大程度上仰仗于硅電子的成熟工藝技術(shù)在這個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，使之得以快速發(fā)展。我國在硅電子方面的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的積累薄弱，導(dǎo)致我們?cè)诠怆娮宇I(lǐng)域與國外相比存在差距，這個(gè)差距有被拉大的趨勢，特別是在III-V族光電子方面，比如雪崩二極管光電（APD）。所以，類似高難度高端芯片方面，國內(nèi)很難完全自主完成，我們依然需要進(jìn)口高端原材料。這里就涉及到我國化學(xué)材料工業(yè)的問題，比如，高規(guī)格的材料的純度等。特別是化合物半導(dǎo)體材料的基礎(chǔ)工業(yè)方面我們還需要下很大的力氣。

除了上述的問題之外，目前我們面臨哪些主要的問題有待突破？

王教授認(rèn)為有以下幾個(gè)方面需要突破：

第一：半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展，我們不能過多關(guān)注在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的“臨門一腳”。怎么說？半導(dǎo)體鏈很長，我們的企業(yè)和技術(shù)發(fā)展過多集中于最后一道工序的行業(yè)和技術(shù)。而那些原材料研產(chǎn)我們關(guān)注太少，國產(chǎn)替代應(yīng)該在技術(shù)源頭和材料源頭多下功夫。

第二：在技術(shù)的交流方面，作為科研工作者，思想不應(yīng)該自我束縛，我們需要看到不同觀點(diǎn)、聽到不同的聲音，需要思維的碰撞，這樣才真正有利于我們看清問題、分析問題。國內(nèi)的媒體報(bào)道，特別是專業(yè)垂直媒體，更需實(shí)事求是的精神和秉持客觀中立的角度，來傳播各種不同的技術(shù)觀念。

第三：1995年，我在法國曾寫過一篇內(nèi)參報(bào)道《中國的電子工業(yè) 需要拿出搞“兩彈一星”的勇氣》，當(dāng)時(shí)受到我國領(lǐng)導(dǎo)的重視。我國的半導(dǎo)體芯片工業(yè)，曾經(jīng)走了很多彎路，到目前也存在很多問題，我也一直在思考這些問題。為什么前蘇聯(lián)核武和太空技術(shù)很厲害，而半導(dǎo)體工業(yè)落后？我國的現(xiàn)代工業(yè)基礎(chǔ)是在蘇聯(lián)援建156個(gè)項(xiàng)目上建立起來的。在傳統(tǒng)工業(yè)方面，其中包括一部分高科技領(lǐng)域，我們繼承并發(fā)展得不錯(cuò)。但是在半導(dǎo)體芯片領(lǐng)域，我們落后于世界先進(jìn)水平。我認(rèn)為這其中或許是有一些“遺傳”因素，我們還沒有打破傳統(tǒng)思路框架的約束。對(duì)此，我們需要進(jìn)行系統(tǒng)性反思。特別是如今，我們?cè)谡度氪罅康馁Y金下，我們半導(dǎo)體行業(yè)依舊與世界先進(jìn)水平差距較大。有些地方政府主導(dǎo)下的半導(dǎo)體行業(yè)，進(jìn)行低水平的重復(fù)建設(shè)，不僅造成資金浪費(fèi)，也不能對(duì)這個(gè)行業(yè)產(chǎn)生“質(zhì)”的提升。然而，有的地方政府卻做得非常成功，比如上海。其前發(fā)改委副主任江上舟主導(dǎo)的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)（中芯國際項(xiàng)目等）是成功的典范。江先生非常了解這個(gè)行業(yè)，他以極大的魄力頂住壓力，兢兢業(yè)業(yè)工作到人生最后一刻都在支持半導(dǎo)體的發(fā)展，正是這種精神促成了上海半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的高水平發(fā)展。在光通信領(lǐng)域中，可謂十年磨一劍，我們的政府和企業(yè)不僅要有超強(qiáng)魄力，還要有堅(jiān)定決心、找準(zhǔn)方向，創(chuàng)造屬于我們自己的“芯片文化”。

您希望媒體在哪些方面，給到行業(yè)一定的幫助？我們可以做哪些事情？

王教授回憶道，很早在華工科技就有關(guān)注過《半導(dǎo)體芯科技》、《激光世界》、《化合物半導(dǎo)體》、《潔凈室》等多本雜志。當(dāng)時(shí)國內(nèi)工業(yè)領(lǐng)域的訊息傳遞比較局限，發(fā)現(xiàn)上述的那些雜志中能夠把國外的最先進(jìn)技術(shù)和國內(nèi)工業(yè)界中好的經(jīng)驗(yàn)介紹給國內(nèi)工業(yè)界，開闊眼界避免走彎路，對(duì)行業(yè)起到了“功德無量”的作用。在獲得國際企業(yè)訊息的時(shí)候，王教授希望我們媒體掌握更多一手新鮮資訊，以中立的角度為國內(nèi)輸出高質(zhì)量作品，實(shí)事求是尋找事物源頭，不盲目跟風(fēng)隨波逐流。兼聽則明，偏信則暗。

王教授最早接觸《激光世界》這本雜志時(shí)，就發(fā)現(xiàn)對(duì)于強(qiáng)激光來說，國內(nèi)是存在兩種聲音的。一個(gè)聲音是來自于大家所熟知的半導(dǎo)體激光器，另一個(gè)聲音則是行業(yè)內(nèi)對(duì)于強(qiáng)激光的看法。如果從媒體角度，能夠更全面的為業(yè)內(nèi)人士傳遞資訊，分析當(dāng)下市場環(huán)境的優(yōu)劣態(tài)勢，企業(yè)在發(fā)展中看的面和思考方向或許會(huì)更加廣泛，而對(duì)今后整個(gè)工業(yè)發(fā)展就會(huì)起到一定意義的幫助。

在談到硅光時(shí)候，王教授補(bǔ)充道，2000年Intel就已經(jīng)提出了硅光技術(shù)，2005年提出了硅光的幾個(gè)方向，其中有一項(xiàng)很重要的技術(shù)問題始終難以突破。在針對(duì)光的問題中，硅能夠接收，但是發(fā)光問題卻難以解決。硅光在做微電子、接收光的方面是沒有問題的，但在發(fā)光的研究上，只靠硅是無法做到的。目前，硅光通過III-V族材料、外延的方法還是會(huì)出現(xiàn)各種問題。我們?cè)诟呖萍碱I(lǐng)域方面，如何成為全球的領(lǐng)頭羊，還需要保持清醒的頭腦去思考。王教授提出媒體在做相應(yīng)報(bào)道時(shí)，面對(duì)硅光的難點(diǎn)、今后發(fā)展方向、技術(shù)難點(diǎn)、哪些方面限制了硅光的發(fā)展等，盡可能地做到全方位、多層次、立體化融合，使硅光能獲得更健康的發(fā)展。

我們雜志社的主編趙雪芹老師及編委團(tuán)老師們，每期定稿都會(huì)對(duì)內(nèi)容品質(zhì)層層把關(guān)，再出刊發(fā)行呈遞給到讀者。同時(shí)，也希望更多業(yè)界專家學(xué)者，為我社提出寶貴意見，從公正的立場為行業(yè)發(fā)聲，通過媒體平臺(tái)促進(jìn)企業(yè)、高校、政府間的合作共贏，實(shí)現(xiàn)串聯(lián)與對(duì)接。

量子技術(shù)作為解決未來可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵科技領(lǐng)域之一，面臨著許多困難與挑戰(zhàn)。隨著產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)，量子技術(shù)的性價(jià)比和可靠性都會(huì)進(jìn)一步提升，應(yīng)用的行業(yè)、范圍也會(huì)越來越寬廣。王肇中教授也為我們提供了非常有建設(shè)性的建議，為我社未來的走向提供了新思路。

遠(yuǎn)方有一座燈塔，是我們永遠(yuǎn)的追求。采訪最后，程麗娜負(fù)責(zé)人認(rèn)真聽取了王教授的建議，也希望《半導(dǎo)體芯科技》雜志社為高科技領(lǐng)域添磚加瓦,助推我國工業(yè)建設(shè)高質(zhì)量發(fā)展。

審核編輯：符乾江