国际著名物理学家王肇中教授：量子技术有哪些神秘“疑团”

4月19日，《半导体芯科技》杂志社负责人程丽娜与小芯一行拜访了王肇中教授，双方就量子通信、半导体领域等诸多方面展开对话，旨在纵深推进业内企业合作对接，共同探讨多维度连接国内外前沿技术，打通信息壁垒。此次采访，王肇中教授对我社多本杂志给予了高度认可与宝贵建议。

王肇中教授2012年来到湖北，是国际著名物理学家、国家纳米科学中心首席科学家、法国格勒诺布尔大学博士，2015年度法国国家科学院终身成就奖获得者，光电行业领军人才，主要从事量子通信核心技术——单光子光源的研制。王肇中作为产业领军人才（国内外顶尖人才），2015年入选武汉首批“城市合伙人”。

△王肇中教授

近日，我国科学家设计和实现了一种相位量子态与时间戳量子态混合编码的量子直接通信新系统，信息传输距离可以达到830公里（但速度太慢，离直接应用很远），这是当前世界最长的量子直接通信距离。由于量子技术本身的重要性，各国普遍在量子方面加强了科研规划和布局投入。据中国信息通信研究院不完全统计，截至2021年10月，全球各国投资总规模已经超过130亿美元。量子技术正处于众多应用和领域的十字路口，涉及系统工程、材料研究、低温技术、软件、半导体和光子学等。虽然量子技术仍处于早期阶段，但是潜力巨大。那么我国量子科技在发展过程中，有哪些谜题需要探索？哪些问题有待突破？我们特此邀请到王肇中教授对大家关心的问题进行解答。

在解答之前，先带大家，了解一下什么是量子通信？

国际顶级量子专家王肇中教授曾说，量子通信就是单模光纤两端加上能代替常用光模块功能的、光量子态的发送和接收设备，实现基于物理加密的保密通信。清华大学物理系教授王向斌也表示，量子通信简单的说就是基于光的单量子态实现的通信手段，以完成经典通信手段无法完成的通信任务，例如保密性任务等。

量子通信只有10多年的发展历史，对中国来说并没有很重的历史包袱，因此在量子通信方面的研究，中国与国外诸强基本上从开始就站在同一起跑线上。资料显示，中国在2012年初建成世界上规模最大的46节点量子通信试验网——合肥量子通信政务网，建成以来运行良好；2012年，新华社和中国科大合作建设的金融信息量子通信验证网在北京开通，在世界上首次实现利用量子通信网络对金融信息的安全传输；2014年，世界第一条量子信息保密干线——“京沪干线”量子通信工程开工建设。

单量子探测器在通信里直接影响着量子保密通信的质量，激光雷达是自动驾驶不可或缺的关键部件，与摄像头、毫米波雷达等共同构成了自动汽车感知外部世界的“眼睛”，当带有量子技术色彩的SPAD技术加持后，能提升激光雷达探测精度和速率，从而使无人驾驶车辆能达到第五级自动驾驶水平，即最可靠的全天候的水平。

王教授表示，量子计算机是一种使用量子力学的计算机，它能比普通计算机更快更高效地执行计算。量子计算机不光有强大的储存能力，它的并行计算的能力也十分强大。就像在房间内开灯，光可以在一瞬间穿过墙壁上的所有缝隙。量子计算机能够进行高速并行的量子计算，就是这个原理。

2021年10月中国科大发布的超导量子计算机“祖冲之二号”，这一系列令人瞩目的成果，标志着我国已成为世界上唯一一个在超导和光量子两个“赛道”上达到“量子优越性”里程碑的国家。

王教授认为，虽然量子计算机目前采用的是极低温超导技术，但若今后要广泛应用的话，量子计算机还是要向室温方向发展。在QIS（Quantum Information Science）中，量子计算机是重点。单光子探测器就是低温或室温量子计算机要用到的核心芯片，也是我们要做的产业化研发方向。

我国的量子通信水平位居世界前列，可以预见，在未来的5-10年内，量子通信仍将处于不断高速发展阶段。

从王教授的分析中，我们获悉量子通信有三个问题还没解决，即信号复制、储存和转运，主要环绕通信的距离问题，量子通信想要达到五十公里以上是比较难的，传输途中光信号会有衰减，导致很难收到信号。五十公里以外就需要“接力站”协助，存在着复制、记忆、转运的难题。目前采用的技术是每过50公里，需要把量子信号换成经典信号，放大后再换成量子信号，再传到下一个50公里处。多次信号转换后，量子通信的保密问题就成为了隐患，目前量子通信只适用于短距离的城域通信。

在城域通信中，量子通信是可以做覆盖的。所以在发展方向上量子计算机，是光谷量子当下需要做的事情。虽然，我国当前已有在做室温的量子通信团队，但仍然是一项庞大的工作。

现在特别火的第三代半导体都会用III-V族材料，未来APD芯片的发展方向，会不会取代传统硅材料进行更迭呢？

在过去20年里，基于III-V族半导体（即化合物半导体）技术的产品已经从面向国防的小范围应用转变为适用于光通信、移动设备、无线网络、卫星通信和光电子的赋能技术。所有这些用途的共同点是需要经济可行的解决方案，具有一流的前端性能，包括工作频率、功率、效率、线性度和可靠性。在所有这些应用中，化合物半导体的性能优势成为了连接全球数十亿人的通信网络最主要的技术。

在石英光纤中只有1550纳米波长的光才能实现长距离传输、在单模光纤中的传播。III-V簇半导体是直接能隙半导体，光电转换效率高，再加上它发出的光适于在石英光纤中传播。传统硅材料是简接能隙半导体，光电转换性能差，发出的光因为波长短不适于在光纤中传播，应用时要改成硅材料加III-V材料。目前在所有的硅光器件中，光的发射器都是用III-V族材料。这在可以预见的将来，都不可能改变的。所以所谓的硅光器件（指的是有源器件），都是用硅材料加III-V族材料。只有在硅光的无源器件可以只用硅材料。

王教授说，这是一个有意义的问题。在30年以前，我在法国就参与并讨论过这个问题。我们知道III-V族半导体发端于上世纪60年代，在30年前我们发现在国际半导体器件市场里，硅基半导体占据95%市场份额；而30年后的今天这个比例没有太大变化。尽管III-V簇载流子迁移率高，光电特性好，III-V族半导体发展迅猛，尤其是LED和光通信市场的快速发展，但在国际半导体器件市场中的占比没有超过10%，今后也不太有可能超过这个比例。

王教授分析认为有几方面的因素：

➣半导体制造工艺方面。国外的硅电子在半导体工艺的资金投入量是非常庞大的，每年的投入高达千亿美元。这样几十年持续投入并发展下来，他们在硅电子领域的经验累积和工艺堆积是用万亿，十万亿美元的金钱堆出来的。由此来看，III-V族半导体的工艺、经验等方面的资金投入量也就是每年百亿美元级别，它对比硅基半导体来说，流片工艺远没有到发展成熟阶段。

➣半导体材料方面。除了高昂的流片工艺投入，单晶硅的纯度已经非常纯，纯度能达到十二个九，十五年前就可以做到无位错、晶格完整度高，制备工艺成熟。而III-V族元素半导体的远远没有达到像硅电子这样的材料工艺成熟程度。

➣化学元素资源储量的地表丰度。硅元素广泛存在于地球表面，获取成本低廉；而III-V族元素相对稀缺，需要开采。铟的价格近十年来涨了好几倍。由此我们可以预计在接下来的一段时间内硅基半导体仍是电子器件市场的主流。

高科技工业领域存在赢者通吃的“猴王”现象。在硅基半导体方面，我国与国外先进技术的差距较大，Intel是“猴王”，我们只能处于跟跑状态。但在III-V族半导体方面，这个领域的“猴王”没有出现，我们与国外的没有太大的差距，我们要加大投入埋头苦干，有机会诞生“猴王”级的企业。

说回到光电子方面，在国际光电子技术的发展，很大程度上仰仗于硅电子的成熟工艺技术在这个领域的应用，使之得以快速发展。我国在硅电子方面的技术经验的积累薄弱，导致我们在光电子领域与国外相比存在差距，这个差距有被拉大的趋势，特别是在III-V族光电子方面，比如雪崩二极管光电（APD）。所以，类似高难度高端芯片方面，国内很难完全自主完成，我们依然需要进口高端原材料。这里就涉及到我国化学材料工业的问题，比如，高规格的材料的纯度等。特别是化合物半导体材料的基础工业方面我们还需要下很大的力气。

除了上述的问题之外，目前我们面临哪些主要的问题有待突破？

王教授认为有以下几个方面需要突破：

第一：半导体行业的发展，我们不能过多关注在半导体产业的“临门一脚”。怎么说？半导体链很长，我们的企业和技术发展过多集中于最后一道工序的行业和技术。而那些原材料研产我们关注太少，国产替代应该在技术源头和材料源头多下功夫。

第二：在技术的交流方面，作为科研工作者，思想不应该自我束缚，我们需要看到不同观点、听到不同的声音，需要思维的碰撞，这样才真正有利于我们看清问题、分析问题。国内的媒体报道，特别是专业垂直媒体，更需实事求是的精神和秉持客观中立的角度，来传播各种不同的技术观念。

第三：1995年，我在法国曾写过一篇内参报道《中国的电子工业 需要拿出搞“两弹一星”的勇气》，当时受到我国领导的重视。我国的半导体芯片工业，曾经走了很多弯路，到目前也存在很多问题，我也一直在思考这些问题。为什么前苏联核武和太空技术很厉害，而半导体工业落后？我国的现代工业基础是在苏联援建156个项目上建立起来的。在传统工业方面，其中包括一部分高科技领域，我们继承并发展得不错。但是在半导体芯片领域，我们落后于世界先进水平。我认为这其中或许是有一些“遗传”因素，我们还没有打破传统思路框架的约束。对此，我们需要进行系统性反思。特别是如今，我们在政府投入大量的资金下，我们半导体行业依旧与世界先进水平差距较大。有些地方政府主导下的半导体行业，进行低水平的重复建设，不仅造成资金浪费，也不能对这个行业产生“质”的提升。然而，有的地方政府却做得非常成功，比如上海。其前发改委副主任江上舟主导的半导体产业（中芯国际项目等）是成功的典范。江先生非常了解这个行业，他以极大的魄力顶住压力，兢兢业业工作到人生最后一刻都在支持半导体的发展，正是这种精神促成了上海半导体产业的高水平发展。在光通信领域中，可谓十年磨一剑，我们的政府和企业不仅要有超强魄力，还要有坚定决心、找准方向，创造属于我们自己的“芯片文化”。

您希望媒体在哪些方面，给到行业一定的帮助？我们可以做哪些事情？

王教授回忆道，很早在华工科技就有关注过《半导体芯科技》、《激光世界》、《化合物半导体》、《洁净室》等多本杂志。当时国内工业领域的讯息传递比较局限，发现上述的那些杂志中能够把国外的最先进技术和国内工业界中好的经验介绍给国内工业界，开阔眼界避免走弯路，对行业起到了“功德无量”的作用。在获得国际企业讯息的时候，王教授希望我们媒体掌握更多一手新鲜资讯，以中立的角度为国内输出高质量作品，实事求是寻找事物源头，不盲目跟风随波逐流。兼听则明，偏信则暗。

王教授最早接触《激光世界》这本杂志时，就发现对于强激光来说，国内是存在两种声音的。一个声音是来自于大家所熟知的半导体激光器，另一个声音则是行业内对于强激光的看法。如果从媒体角度，能够更全面的为业内人士传递资讯，分析当下市场环境的优劣态势，企业在发展中看的面和思考方向或许会更加广泛，而对今后整个工业发展就会起到一定意义的帮助。

在谈到硅光时候，王教授补充道，2000年Intel就已经提出了硅光技术，2005年提出了硅光的几个方向，其中有一项很重要的技术问题始终难以突破。在针对光的问题中，硅能够接收，但是发光问题却难以解决。硅光在做微电子、接收光的方面是没有问题的，但在发光的研究上，只靠硅是无法做到的。目前，硅光通过III-V族材料、外延的方法还是会出现各种问题。我们在高科技领域方面，如何成为全球的领头羊，还需要保持清醒的头脑去思考。王教授提出媒体在做相应报道时，面对硅光的难点、今后发展方向、技术难点、哪些方面限制了硅光的发展等，尽可能地做到全方位、多层次、立体化融合，使硅光能获得更健康的发展。

我们杂志社的主编赵雪芹老师及编委团老师们，每期定稿都会对内容品质层层把关，再出刊发行呈递给到读者。同时，也希望更多业界专家学者，为我社提出宝贵意见，从公正的立场为行业发声，通过媒体平台促进企业、高校、政府间的合作共赢，实现串联与对接。

量子技术作为解决未来可持续发展的关键科技领域之一，面临着许多困难与挑战。随着产业化推进，量子技术的性价比和可靠性都会进一步提升，应用的行业、范围也会越来越宽广。王肇中教授也为我们提供了非常有建设性的建议，为我社未来的走向提供了新思路。

远方有一座灯塔，是我们永远的追求。采访最后，程丽娜负责人认真听取了王教授的建议，也希望《半导体芯科技》杂志社为高科技领域添砖加瓦,助推我国工业建设高质量发展。

审核编辑：符乾江