【工研院院士】王康隆 跟隨熱情 實現量子運算夢想

甫獲工研院院士榮銜的王康隆,是國際知名的半導體專家,也是奈米級技術研究的先驅,數十年來與「電」為伍,樂此不疲。他帶領團隊發現量子反常霍爾效應與拓樸絕緣體,為拓樸量子電腦的發展推進一大步。

王康隆從1979年擔任加州大學洛杉磯分校電機工程系教授迄今,作育英才無數,他以卓越的洞察力與技術領導力,獲得美國各大公司資金挹注長期支持其科技研發,使積體電路朝更高效能推進。數十年來王康隆不僅解決了許多半導體電子元件的問題,也開啟自旋電子元件的新領域,2017年更率領研究團隊證明馬約拉納費米子(Majorana fermion)的存在,堪稱物理界一大突破。

工研院第七屆院士,王康隆教授

對於「電」的興趣 開啟研究之路
王康隆研究的範圍包括電子器件和材料、積體電路、微波和光電子、量子結構與運算等領域,其中多項開創性的研究更引領風騷,帶領全球科研人才競相投入相關研究領域。

談起與「電」的結緣,王康隆笑稱從小就愛拆解家中的收音機、電風扇等家電來研究,以滿足對「電」的好奇。台中高工畢業後,在親友鼓勵下,他自修考上國立成功大學電機系,接著1965年獲麻省理工學院獎學金赴美深造,學成之後就一直留在美國,投入科技研發,持續在學界與業界深耕。

學術成果非凡的王康隆,1975年時,已是第一個展示鍺氧化物場效電晶體的物理學家;在加州大學洛杉磯分校任教期間,成為使用分子束磊晶(Molecular Beam Epitaxy;MBE)研究矽鍺電子(Silicon-Germanium;SiGe)的先驅;到了1980年代,率先發表「應力在矽鍺電子電洞遷移率效果」論述,後續更因重大的研究突破,在此領域樹立標竿。

1991年,王康隆所研發、展示的「應變矽鍺P型通道電晶體」,開拓了半導體產業進入65奈米製程,應用「應變矽與矽鍺合金」突破製程瓶頸,對於促成積體電路製程的持續微縮做出重大貢獻。
後續,在矽鍺合金的研究上,王康隆則利用稀磁性(錳)雜入半導體(鍺)的量子侷限效應,成功地將半導體自旋電子元件的操作溫度,提高到絕對溫度300K(約攝氏27度)以上,不僅讓半導體自旋電子得以在室溫下控制操作,更帶領許多研究人員投入奈米電子領域研發。

王康隆傑出的研發能力,獲得美國奈米電子學研究專案(Nanoelectronics Research Initiative)的支持,成立半導體工程聯盟「奈米電子西部學院(The Western Institute of Nanoelectronics;WIN)」,從事自旋電子的研究工作,引領自旋電子學的研發方向。此外,在2003至2013年期間,他領導美國主要奈米材料聯盟(FENA)的半導體電子研究中心,證實了量子反常霍爾效應與拓樸絕緣體,使拓樸量子電概念得以進一步實現。

找到馬約拉納費米子 向拓樸量子運算大步邁進
隨著半導體晶片微縮與傳統電腦發展逼近極限,量子電腦逐漸成為新一代高速運算的解答;能精確操控電子自旋,則是實現量子運算的關鍵。王康隆多年致力於自旋電子學,早期在電磁自旋存取記憶體(MeRAM)和自旋轉移力矩隨機存取記憶體(STT-RAM)方面的研究成果,促成了此一新型記憶體的出現。MeRAM和STT-RAM具有讀寫快、耗能低、無限次讀寫等優點,尤其在嵌入式(Embedded)應用方面,有機會取代DRAM,成為下一代記憶體主流。

王康隆也率先利用相對自旋軌道耦合(Spin-Orbit Coupling;SOC)的原理,有效控制磁矩,進而大幅降低電子元件的能量耗損,創造出新一代的超低耗能電子產品,此一發現堪稱磁學領域的重大突破,也是高斯磁定律以來最大的成就之一。

2017年全球物理界最熱門的話題,莫過於追尋長達80年的神祕粒子,「馬約拉納費米子」的存在終於被證實,這是王康隆與團隊在長年耕耘拓樸絕緣體研究實驗中的意外發現,也是邁向拓樸量子運算的重要里程碑。為此,國際純物理和應用物理學會(IUPAP)將於7月在ICM2018大會頒贈磁力獎(Magnetism Award)與路易斯奈爾獎章(Neel Medal)予王康隆,表彰此一重大貢獻。
外界預測,王康隆距離諾貝爾獎只有一步之遙,不過對於這個全球科學家都夢寐以求的科學桂冠,王康隆笑稱,「想都不要想。」

他表示,當初是為了探索拓樸絕緣體是否能應用在低功耗電子晶片的開發,而有如此令人驚喜的「發現」,是團隊十多年來在材料與物理現象的基礎研究中,長期鑽研所獲致成果,科學研究需要一步一腳印,保持平常心、繼續耕耘研究領域,才能專心致志而有所成。

滿腔熱情 在漫長科研生涯中不斷突破
科學研究是一條需要無比耐心與專注力的事業,如何能長期投入科學研發,保持不斷創新的精神與力量?王康隆精準回應:「Passion。」對他來說,做事的先決條件是要喜歡,因為興趣、好玩,才能使其傾注無比熱情於研究領域中。王康隆從台灣早期的技職教育中,逐漸培養出對科學研究的興趣,越鑽研越有心得,熱情引領他從工程師走向學術界,一路將他帶向科學的邊境前緣,向未知的世界好奇叩門。

王康隆形容,學問就像一棵樹,樹根是不變的基本,不管是教學或科研都要注重根本。「科研要有進展,基本功要紮深,有基礎科研的累積,才能在每一次的研究中不斷突破。而突破是可遇不可求的,需要分時程、階段性地逐步累積,如同工程一步步堆疊。」

王康隆認為,科學研究同時要有長期、中期、短期計畫同時並行,因為誰都難以料到最終是否有成果。「方向對,才有機會能有微小的突破,」王康隆表示,這段漫長的研究過程中,若沒有足夠的熱情支撐,實在難以為繼。

提升人才品質訓練 蓄積轉型力量
在繁忙的研究生活之外,王康隆也樂在教學,「所謂教學相長,年輕人的思想與意見也是一種新觸發,每天都能有新的想法與刺激。」他在近40年的教學生涯中,桃李滿天下。對他來說,教學工作是「one of the best, one of my best jobs」。

「學生的成就,就是我最大的成就!」台灣台積電研發大將米玉傑、韓國三星半導體部門CEO金奇南,兩位堪稱台、韓半導體產業的兩大戰將,都是他的得意門生。談起學生,王康隆格外開懷,「台灣有米玉傑、韓國有金奇南,這真的是不得了!」對他而言,學生的種種成就,與有榮焉之外,更是無與倫比的驕傲。

雖長年在海外從事研究,但王康隆對於台灣科技發展仍相當關切,長期參與國科會、科技部等政府部門的研究計畫,對於台灣科技研發人才的培育亦不遺餘力。此次榮獲工研院院士榮譽,他表示,工研院對於產業的技術轉移與人才培育的貢獻很大。40多年前,台灣為了推動產業升級、引進半導體技術而成立工研院、科學園區,這在當時是世界少有的形式,因此「工研院的起步,等於全世界科學園區的起步!」王康隆建議,工研院未來應持續提升人才品質的訓練,朝向人才菁英化發展,為台灣蓄積更多產業研發及轉型的力量。

本文經工業技術與資訊授權轉載「王康隆 跟隨熱情 實現量子運算夢想」

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