量子產業群

量子運算 (Quantum Computing)

Ref: https://www.vttresearch.com/en/technology-infrastructures/quantum-computing-and-technologies

VTT 在量子運算領域的研究重點

• 軟體與演算法開發：研究純量子演算法與結合傳統超級電腦的混合演算法，應用於最佳化、模擬與機器學習等問題。

• 硬體設施：VTT 開發並營運一台名為 VTT Q50 的 50 量子位元超導量子電腦。此設備可供研究與商業機構使用，並可與芬蘭科學計算中心 (CSC) 的 LUMI 超級電腦進行整合運算。

VTT 技術與服務

VTT 提供對其量子運算基礎設施的存取，並進行相關的軟體與演算法研究開發。其專業領域包括：

• 量子最佳化 (Quantum Optimization)

• 量子模擬 (Quantum Simulation)

• 量子機器學習 (Quantum Machine Learning)

• 錯誤緩解技術 (Error Mitigation)

• 演算法實作與硬體整合

VTT 應用案例研究

• 化學模擬：Algorithmiq 的光化學研究

量子電腦在模擬分子結構方面具有天然優勢。研究機構 Algorithmiq 利用 VTT Q50，對 BODIPY 分子的能隙進行高精度計算。這類計算對於優化光動力癌症治療等藥物發現流程具有重要意義。

• 流體力學：Quanscient 的模擬研究

傳統計算流體力學 (CFD) 模擬耗時且計算成本高。VTT 與 Quanscient 合作，在超導量子硬體上進行了初步的 CFD 模擬，探索利用量子計算加速此類問題求解的可能性。

• 材料科學：氨分子模擬

在綠色能源領域，精確計算「綠色氨」等分子的勢能至關重要。研究顯示，透過量子電腦的數位模擬，可以加速計算過程並達到化學預測所需的精度。

量子電腦規模化技術 (Quantum Computer Scale-up)

▲VTT 協助其衍生公司 Arctic Instruments 進行超導微波放大器的研發、原型製作和晶片代工，加速了其技術商業化的進程。
Ref: https://www.vttresearch.com/en/case-arctic-instruments-quantum-amplifier

實現「量子優勢」（即量子電腦在特定問題上超越最快的傳統電腦）的主要挑戰之一是擴展量子電腦的規模。這不僅需要增加量子位元 (qubit) 的數量，還需要提升其品質、開發新的整合與連接技術。VTT 在此領域的研究專注於開發實現規模化所需的關鍵技術。

硬體開發與製造

VTT 擁有數十年超導硬體元件的開發經驗，並具備內部無塵室設施，支持從設計、製造到原型測試的完整流程。其研究方向包括：

• 超導量子裝置：開發量子運算硬體和量子感測器所需的技術、裝置與次系統。

• 3D 整合技術：研究超導晶圓的 3D 堆疊方法，如flip-chip bonding 和矽穿孔 (TSV) 技術，以實現高度整合的超導模組。

• 量子感測：研發基於 SQUID 的磁力儀（應用於腦影像系統）和超導單光子探測器 (SNSPD)（應用於量子通訊）。

• Cryo-CMOS技術：開發低溫環境下的極低雜訊放大器（在 RF 至毫米波範圍內的微弱訊號）和客製化積體電路 (ASIC)，用於量子位元的訊號讀出與控制，採用 SiGe、CMOS 與 InP 等技術。

• 積體光子解決方案（Integrated photonics solutions）：為量子電腦提供的積體光子解決方案包含氮化矽（SiN）與絕緣體上矽（SOI）平台。專注於量子電腦中的光電轉換：當把來自超導量子位元或光子感測器的微波訊號傳到室溫端時，藉由光電轉換，可將成千上萬條微波纜線替換為少數光纖。

技術合作案例

• 與 Xanadu 的合作

VTT 為加拿大量子技術公司 Xanadu 製造了光子數解析探測器 (Photon-Number-Resolving Detectors)，以支持其光子量子電腦的開發。此合作旨在將實驗室中的研究成果轉化為可規模化製造的元件。

• 與 Arctic Instruments 的合作

VTT 協助其衍生公司 Arctic Instruments 進行超導微波放大器的研發、原型製作和晶片代工，加速了其技術商業化的進程。

矽光子 (Integrated Photonics，積體光子學)

矽光子是將波導、調變器、雷射等光學元件整合到單一晶片上的技術，類似於電子學中的積體電路。其目標是實現光學系統的小型化、高效能與低功耗。應用領域包括資料通訊、感測器、光達 (LiDAR) 和量子技術。

矽光子的技術優勢

• 小型化：將複雜的光學系統尺寸從數十公分縮小至數毫米。

• 高效率：降低功耗，尤其在高頻訊號傳輸方面優於傳統電子方案。

• 高頻寬：滿足資料密集型應用的需求，如高效能運算和 6G 通訊。

VTT 的技術平台與能力

VTT 在積體光子領域擁有長期研究歷史，其技術能力涵蓋從設計模擬、原型製作到封裝測試的全流程。

• 材料平台：主要開發基於 3µm 厚絕緣體上矽 (SOI) 和氮化矽 (SiN) 的光子積體電路 (PIC) 技術。SOI 平台專注於紅外波段的低損耗傳輸，而 SiN 平台則可擴展至可見光波段，適用於量子與醫療應用。

• 整合技術：

  • 單晶整合 (Monolithic)：在單一晶片上無縫整合主動與被動元件。

  • 混合整合 (Hybrid)：透過倒裝鍵合等技術，將 III-V 族半導體雷射或放大器整合到矽基波導上。

  • 異質整合 (Heterogeneous)：整合石墨烯等新材料，並在晶圓層級進行後續處理。

• 組裝與封裝：具備低損耗光纖耦合、聚合物透鏡製作及 V 型槽對準等先進封裝技術。

技術應用案例

• Rockley Photonics 技術開發

在 2014 至 2021 年間，VTT 協助 Rockley Photonics 進行其光子積體電路平台的開發與原型製作。該技術後續被轉移至大規模代工廠，用於生產消費性應用中的光學感測器。

資訊安全 (Cybersecurity)

隨著數位化程度加深，資訊安全面臨的威脅日益複雜。VTT 的資安研究旨在為關鍵基礎設施、高要求產業（如能源、國防、電信）及新興技術提供客製化的安全架構與評估方法。

研究領域與方法

VTT 的資安研究涵蓋軟硬體層面，並著眼於未來威脅。

• 威脅評估與測試：對資訊技術 (IT) 和營運技術 (OT) 網路進行評估，執行裝置測試和滲透測試。

• 安全架構設計：為複雜系統設計符合安全需求的架構，遵循 Security-by-Design 原則。

• 後量子密碼學 (PQC)：研究和開發能夠抵禦未來量子電腦攻擊的加密演算法，並參與相關標準化工作。這是為了保護國防、金融等領域的高價值數據。

• AI 安全：研究人工智慧驅動的資安應用，同時也防範由 AI 產生的安全風險。

• 測試環境：利用其 Cyber War Room 安全實驗室和 5G 測試網路等基礎設施，進行實際的網路攻防演練和安全效能測試。

重點專案

• AI-NET-ANTILLAS 專案

VTT 協調此歐洲專案在芬蘭的聯盟，致力於研究保護資訊網路和關鍵基礎設施的方法。

• 後量子密碼學 (PQC) 專案

此專案由芬蘭國家商務促進局 (Business Finland) 資助，旨在開發量子安全的加密技術，並為芬蘭制定國家層級的量子安全評估建議。