4月19日，《半導體芯科技》雜志社負責人程麗娜與小芯一行拜訪了王肇中教授，雙方就量子通信、半導體領域等諸多方面展開對話，旨在縱深推進業(yè)內企業(yè)合作對接，共同探討多維度連接國內外前沿技術，打通信息壁壘。此次采訪，王肇中教授對我社多本雜志給予了高度認可與寶貴建議。

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

△王肇中教授

近日，我國科學家設計和實現(xiàn)了一種相位量子態(tài)與時間戳量子態(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到830公里（但速度太慢，離直接應用很遠），這是當前世界最長的量子直接通信距離。由于量子技術本身的重要性，各國普遍在量子方面加強了科研規(guī)劃和布局投入。據(jù)中國信息通信研究院不完全統(tǒng)計，截至2021年10月，全球各國投資總規(guī)模已經超過130億美元。量子技術正處于眾多應用和領域的十字路口，涉及系統(tǒng)工程、材料研究、低溫技術、軟件、半導體和光子學等。雖然量子技術仍處于早期階段，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？我們特此邀請到王肇中教授對大家關心的問題進行解答。

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)送和接收設備，實現(xiàn)基于物理加密的保密通信。清華大學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)實現(xiàn)的通信手段，以完成經典通信手段無法完成的通信任務，例如保密性任務等。

量子通信只有10多年的發(fā)展歷史，對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)點量子通信試驗網——合肥量子通信政務網，建成以來運行良好；2012年，新華社和中國科大合作建設的金融信息量子通信驗證網在北京開通，在世界上首次實現(xiàn)利用量子通信網絡對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。

單量子探測器在通信里直接影響著量子保密通信的質量，激光雷達是自動駕駛不可或缺的關鍵部件，與攝像頭、毫米波雷達等共同構成了自動汽車感知外部世界的“眼睛”，當帶有量子技術色彩的SPAD技術加持后，能提升激光雷達探測精度和速率，從而使無人駕駛車輛能達到第五級自動駕駛水平，即最可靠的全天候的水平。

王教授表示，量子計算機是一種使用量子力學的計算機，它能比普通計算機更快更高效地執(zhí)行計算。量子計算機不光有強大的儲存能力，它的并行計算的能力也十分強大。就像在房間內開燈，光可以在一瞬間穿過墻壁上的所有縫隙。量子計算機能夠進行高速并行的量子計算，就是這個原理。

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

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

我國的量子通信水平位居世界前列，可以預見，在未來的5-10年內，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問題還沒解決，即信號復制、儲存和轉運，主要環(huán)繞通信的距離問題，量子通信想要達到五十公里以上是比較難的，傳輸途中光信號會有衰減，導致很難收到信號。五十公里以外就需要“接力站”協(xié)助，存在著復制、記憶、轉運的難題。目前采用的技術是每過50公里，需要把量子信號換成經典信號，放大后再換成量子信號，再傳到下一個50公里處。多次信號轉換后，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)展方向上量子計算機，是光谷量子當下需要做的事情。雖然，我國當前已有在做室溫的量子通信團隊，但仍然是一項龐大的工作。

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

在過去20年里，基于III-V族半導體（即化合物半導體）技術的產品已經從面向國防的小范圍應用轉變?yōu)檫m用于光通信、移動設備、無線網絡、衛(wèi)星通信和光電子的賦能技術。所有這些用途的共同點是需要經濟可行的解決方案，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。在所有這些應用中，化合物半導體的性能優(yōu)勢成為了連接全球數(shù)十億人的通信網絡最主要的技術。

在石英光纖中只有1550納米波長的光才能實現(xiàn)長距離傳輸、在單模光纖中的傳播。III-V簇半導體是直接能隙半導體，光電轉換效率高，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體，光電轉換性能差，發(fā)出的光因為波長短不適于在光纖中傳播，應用時要改成硅材料加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，這是一個有意義的問題。在30年以前，我在法國就參與并討論過這個問題。我們知道III-V族半導體發(fā)端于上世紀60年代，在30年前我們發(fā)現(xiàn)在國際半導體器件市場里，硅基半導體占據(jù)95%市場份額；而30年后的今天這個比例沒有太大變化。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比例。

王教授分析認為有幾方面的因素：

?半導體制造工藝方面。國外的硅電子在半導體工藝的資金投入量是非常龐大的，每年的投入高達千億美元。這樣幾十年持續(xù)投入并發(fā)展下來，他們在硅電子領域的經驗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族半導體的工藝、經驗等方面的資金投入量也就是每年百億美元級別，它對比硅基半導體來說，流片工藝遠沒有到發(fā)展成熟階段。

?半導體材料方面。除了高昂的流片工藝投入，單晶硅的純度已經非常純，純度能達到十二個九，十五年前就可以做到無位錯、晶格完整度高，制備工藝成熟。而III-V族元素半導體的遠遠沒有達到像硅電子這樣的材料工藝成熟程度。

?化學元素資源儲量的地表豐度。硅元素廣泛存在于地球表面，獲取成本低廉；而III-V族元素相對稀缺，需要開采。銦的價格近十年來漲了好幾倍。由此我們可以預計在接下來的一段時間內硅基半導體仍是電子器件市場的主流。

高科技工業(yè)領域存在贏者通吃的“猴王”現(xiàn)象。在硅基半導體方面，我國與國外先進技術的差距較大，Intel是“猴王”，我們只能處于跟跑狀態(tài)。但在III-V族半導體方面，這個領域的“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，有機會誕生“猴王”級的企業(yè)。

說回到光電子方面，在國際光電子技術的發(fā)展，很大程度上仰仗于硅電子的成熟工藝技術在這個領域的應用，使之得以快速發(fā)展。我國在硅電子方面的技術經驗的積累薄弱，導致我們在光電子領域與國外相比存在差距，這個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，國內很難完全自主完成，我們依然需要進口高端原材料。這里就涉及到我國化學材料工業(yè)的問題，比如，高規(guī)格的材料的純度等。特別是化合物半導體材料的基礎工業(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？

王教授認為有以下幾個方面需要突破：

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

第二：在技術的交流方面，作為科研工作者，思想不應該自我束縛，我們需要看到不同觀點、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。國內的媒體報道，特別是專業(yè)垂直媒體，更需實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觀念。

第三：1995年，我在法國曾寫過一篇內參報道《中國的電子工業(yè) 需要拿出搞“兩彈一星”的勇氣》，當時受到我國領導的重視。我國的半導體芯片工業(yè)，曾經走了很多彎路，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)核武和太空技術很厲害，而半導體工業(yè)落后？我國的現(xiàn)代工業(yè)基礎是在蘇聯(lián)援建156個項目上建立起來的。在傳統(tǒng)工業(yè)方面，其中包括一部分高科技領域，我們繼承并發(fā)展得不錯。但是在半導體芯片領域，我們落后于世界先進水平。我認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。對此，我們需要進行系統(tǒng)性反思。特別是如今，我們在政府投入大量的資金下，我們半導體行業(yè)依舊與世界先進水平差距較大。有些地方政府主導下的半導體行業(yè)，進行低水平的重復建設，不僅造成資金浪費，也不能對這個行業(yè)產生“質”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的半導體產業(yè)（中芯國際項目等）是成功的典范。江先生非常了解這個行業(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體的發(fā)展，正是這種精神促成了上海半導體產業(yè)的高水平發(fā)展。在光通信領域中，可謂十年磨一劍，我們的政府和企業(yè)不僅要有超強魄力，還要有堅定決心、找準方向，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注過《半導體芯科技》、《激光世界》、《化合物半導體》、《潔凈室》等多本雜志。當時國內工業(yè)領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技術和國內工業(yè)界中好的經驗介紹給國內工業(yè)界，開闊眼界避免走彎路，對行業(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輸出高質量作品，實事求是尋找事物源頭，不盲目跟風隨波逐流。兼聽則明，偏信則暗。

王教授最早接觸《激光世界》這本雜志時，就發(fā)現(xiàn)對于強激光來說，國內是存在兩種聲音的。一個聲音是來自于大家所熟知的半導體激光器，另一個聲音則是行業(yè)內對于強激光的看法。如果從媒體角度，能夠更全面的為業(yè)內人士傳遞資訊，分析當下市場環(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更加廣泛，而對今后整個工業(yè)發(fā)展就會起到一定意義的幫助。

在談到硅光時候，王教授補充道，2000年Intel就已經提出了硅光技術，2005年提出了硅光的幾個方向，其中有一項很重要的技術問題始終難以突破。在針對光的問題中，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、外延的方法還是會出現(xiàn)各種問題。我們在高科技領域方面，如何成為全球的領頭羊，還需要保持清醒的頭腦去思考。王教授提出媒體在做相應報道時，面對硅光的難點、今后發(fā)展方向、技術難點、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老師們，每期定稿都會對內容品質層層把關，再出刊發(fā)行呈遞給到讀者。同時，也希望更多業(yè)界專家學者，為我社提出寶貴意見，從公正的立場為行業(yè)發(fā)聲，通過媒體平臺促進企業(yè)、高校、政府間的合作共贏，實現(xiàn)串聯(lián)與對接。

量子技術作為解決未來可持續(xù)發(fā)展的關鍵科技領域之一，面臨著許多困難與挑戰(zhàn)。隨著產業(yè)化推進，量子技術的性價比和可靠性都會進一步提升，應用的行業(yè)、范圍也會越來越寬廣。王肇中教授也為我們提供了非常有建設性的建議，為我社未來的走向提供了新思路。

遠方有一座燈塔，是我們永遠的追求。采訪最后，程麗娜負責人認真聽取了王教授的建議，也希望《半導體芯科技》雜志社為高科技領域添磚加瓦,助推我國工業(yè)建設高質量發(fā)展。

審核編輯：符乾江