理大领先全球，研制出微小、精准且高维度的超构透镜阵列量子光源芯片，大步跨进量子计算的新境界

从加州矽谷到中国深圳，环球顶尖的资讯科技公司一直努力寻找诀窍，以求将量子计算（quantum computing）提升到另一层次；一队由理大电子及资讯工程学系讲座教授兼系主任蔡定平教授领导的华人研究团队，终於率先研发出一个崭新的方案，以充分开启此技术的潜力。

尽管量子计算尚处於初步开发阶段，但人们已将此技术奉为继发明电晶体后，电脑技术中最重要的进展。待量子计算发展成熟，即可望为新通讯技术、另类能源、防黑客加密技术乃至无数领域带来重大突破。

那么，究竟什么是量子计算？简而言之，它是利用 "纠缠光子对" 的 "多种量子态" 来作平行计算。量子电脑功能异常强大，一般电脑需时数千年才能解答的数学难题，量子电脑只需不足一秒便能得出答案。

各地政府与Google、IBM和微软等公司均意识到，量子计算将会大行其道，因此纷纷投入巨额资金来提升此技术。然而，要取得成功，仍需要克服不少似乎无法逾越的挑战。

目前，产生量子比特的工作需要在低温的环境进行，以提高计算结果的可靠性，轻微的震荡或温度的改变，都会导致计算结果出现偏差。再者，量子电脑运作时会产生高温，因此，为求计算准确，量子电脑必须放置於稳定无振动干扰，且温度比深太空还要低很多倍、体积如房间般大小的 "雪柜" 内。

此等挑战或许教人望而生畏，尤幸蔡教授与其团队已研究出崭新方法，解决这些问题已是指日可待。

量子电脑如何巧妙运作

在传统电脑上，所有资讯都是以 "位元"（二进制位，bit）为基础，即只能是0或者1。无论是你写的电邮、你孩子上载的抖音短片，还是你今早阅读的网上报纸，全都是一串串的1和0，构成了电脑读取的二进制数据。

一个量子比特可以同时是1和0，甚或是两者之间的任何数值。

反之，量子电脑则以 "量子比特"（量子位元，quantum bit）为基础，这些位元是由次原子粒子的量子状态所衍生。与传统的位元不同，量子比特可以同时是1和 0，甚或是两者之间的任何数值（称为 "叠加"）。另一个特性是 "纠缠"，此为物理学上一个令人迷惑的现象，两个粒子会互相分享各自的资讯。当两个粒子（例如光子，即光的基本单位）以此方式相连，即可进行极大数量的计算，其计算能力远超於现今最强大的超级电脑。

前景光明

放大细看芯片上的天线

这个新方法背后的构思是以多个微型 "超构透镜"（meta-lenses）为基础，超构透镜由极细微的纳米天线阵列组成，藉以捕捉镭射光束中的光子，再将之聚焦於同一点上。

 

蔡教授解释："设计原理十分简单，我们以氮化镓为材料，制作纳米等级的天线阵列平面。氮化镓是一种半导体物质，它的光学性能优异，亦与半导体技术相容。

 

"我们以极尽 '纳米' 之能事来制造每一条天线，因为这样才能准确地控制光，达到极细致的水平。"

 

研究团队所开发出的纳米天线一般是45纳米阔 x 80纳米长 x 800纳米高。合共超过250,000支这些微型天线，组成一片直径100微米（大约相等於人的一条头发）的镜片。为示范他们的方法如何可行，团队又设计并制造出一块1毫米 x 1毫米的光源芯片，芯片上装有10 x 10镜片阵列，即合共有2,500万支天线，每支的大小、尺寸和方向各异，与一个非线性晶体集成成为一片新型量子光源芯片。

 

超构透镜阵列产生的聚焦光点阵列会聚集到非线性晶体的中心，每一个聚焦光点都会激发非线性晶体的特殊效应，将一颗光子转换成一对纠缠光子对。100个聚焦光点即可产生100对纠缠光子对。研究团队在多次实验中已证实了 "同源多光子对" 之间互相叠加与关联的量子行为。

以这方法制造的高维度量子纠缠光源芯片，是世界首创，大大有助量子计算进一步突破。

 

 

你知道吗？ 1毫米= 1,000微米 1微米= 1,000纳米

功能扩大n次方

纠缠光子是量子资讯的关键，因为其可以较传统电脑产生多出数以百万计的位元；然而，在以往的量子计算中，要制造纠缠光子非常困难。

"以前，当大家尝试用这方法制造高维度量子芯片时，必须使用以不同晶体分裂多次的镭射光束。" 蔡教授称："然而，这个方法不适用於高维量子光源的产生，因为镭射光每次穿过晶体均会减弱。而且整个装置十分庞大。"

高维度量子纠缠超构透镜阵列光源芯片示意图

"我们用超构透镜阵列结合单个非线性晶体便做到了，这开创了世界先河。"

 

这研究的重要性在哪里？主要在於它能产生高维度的位元（即极高数目的维度 — d加1）。

 

蔡教授说："现时传统电脑是64位元，其计算能力是2⁶⁴。但利用我们的10 × 10超构透镜阵列，计算能力可以远超过2¹⁰⁰。更教人振奋的是，我们相信这方法能够轻易达致更强大的计算能力。"

 

尤有甚者，蔡教授领导的团队能够在试验中取得将近98.4%的保真度，证实了此量子纠缠光源芯片的可行性。除此之外，这种芯片还可以在室温下操作，如此便毋须再依赖液态氦或液态氮冷却系统和超高真空设施。

具革命性潜力的重大突破

蔡教授的团队所进行的崭新研究，乃是南京大学、中国科学技术大学、国立台湾大学、中央研究院、华东师范大学和国立联合大学的合作成果。

虽然芯片还在继续研发，但其革命性的潜力已获得国际顶尖学术期刊《科学》的肯定，一篇由研究团队共同撰写有关实验结果的文章Metalens-array–based high-dimensional and multiphoton quantum source 於该杂志的2020年6月刊登。

蔡教授和他的团队为此深受鼓舞，他们相信，这小巧而可靠的芯片，可以作为新型的高维量子光源，供技术研发使用。蔡教授说："我们的研究将会帮助量子资讯科学广泛地应用在我们未来的日常生活中。

吴泳锋（最右）和刘小源协助蔡定平教授进行是项研究。

"其中一个例子是无现金支付。现时当进行一项交易，会使用2位元（1和0）随机生成一个保安码，而这保安码最多只有4或5个数字。但利用量子计算，所生成的保安码可以远超这长度，几乎是无从破解的。"

 

不过，你手上的智能电话短时间内应该也不会被量子电脑取代。但凭藉理大团队带来的突破，向商用的目标迈进了一大步。

 

蔡教授说："革命由此开始，由我们的芯片开始，这绝对是一项技术上的突破。"