理大領先全球，研製出微小、精準且高維度的超構透鏡陣列量子光源芯片，大步跨進量子計算的新境界

從加州矽谷到中國深圳，環球頂尖的資訊科技公司一直努力尋找訣竅，以求將量子計算（quantum computing）提升到另一層次；一隊由理大電子及資訊工程學系講座教授兼系主任蔡定平教授領導的華人研究團隊，終於率先研發出一個嶄新的方案，以充分開啟此技術的潛力。

儘管量子計算尚處於初步開發階段，但人們已將此技術奉為繼發明電晶體後，電腦技術中最重要的進展。待量子計算發展成熟，即可望為新通訊技術、另類能源、防黑客加密技術乃至無數領域帶來重大突破。

那麼，究竟甚麼是量子計算？簡而言之，它是利用「糾纏光子對」的「多種量子態」來作平行計算。量子電腦功能異常強大，一般電腦需時數千年才能解答的數學難題，量子電腦只需不足一秒便能得出答案。

各地政府與Google、IBM和微軟等公司均意識到，量子計算將會大行其道，因此紛紛投入巨額資金來提升此技術。然而，要取得成功，仍需要克服不少似乎無法踰越的挑戰。

目前，產生量子比特的工作需要在低溫的環境進行，以提高計算結果的可靠性，輕微的震盪或溫度的改變，都會導致計算結果出現偏差。再者，量子電腦運作時會產生高溫，因此，為求計算準確，量子電腦必須放置於穩定無振動干擾，且溫度比深太空還要低很多倍、體積如房間般大小的「雪櫃」內。

此等挑戰或許教人望而生畏，尤幸蔡教授與其團隊已研究出嶄新方法，解決這些問題已是指日可待。

量子電腦如何巧妙運作

在傳統電腦上，所有資訊都是以「位元」（二進制位，bit）為基礎，即只能是0或者1。無論是你寫的電郵、你孩子上載的抖音短片，還是你今早閱讀的網上報紙，全都是一串串的1和0，構成了電腦讀取的二進制數據。

一個量子比特可以同時是1和0，甚或是兩者之間的任何數值。

反之，量子電腦則以「量子比特」（量子位元，quantum bit）為基礎，這些位元是由次原子粒子的量子狀態所衍生。與傳統的位元不同，量子比特可以同時是1和 0，甚或是兩者之間的任何數值（稱為「疊加」）。另一個特性是「糾纏」，此為物理學上一個令人迷惑的現象，兩個粒子會互相分享各自的資訊。當兩個粒子（例如光子，即光的基本單位）以此方式相連，即可進行極大數量的計算，其計算能力遠超於現今最強大的超級電腦。

前景光明

放大細看芯片上的天線

這個新方法背後的構思是以多個微型「超構透鏡」（meta-lenses）為基礎，超構透鏡由極細微的納米天線陣列組成，藉以捕捉鐳射光束中的光子，再將之聚焦於同一點上。

 

蔡教授解釋：「設計原理十分簡單，我們以氮化鎵為材料，製作納米等級的天線陣列平面。氮化鎵是一種半導體物質，它的光學性能優異，亦與半導體技術相容。

 

「我們以極盡『納米』之能事來製造每一條天線，因為這樣才能準確地控制光，達到極細緻的水平。」

 

研究團隊所開發出的納米天線一般是45納米闊 x 80納米長 x 800納米高。合共超過250,000支這些微型天線，組成一片直徑100微米（大約相等於人的一條頭髮）的鏡片。為示範他們的方法如何可行，團隊又設計並製造出一塊1毫米 x 1毫米的光源芯片，芯片上裝有10 x 10鏡片陣列，即合共有2,500萬支天線，每支的大小、尺寸和方向各異，與一個非線性晶體集成成為一片新型量子光源芯片。

 

超構透鏡陣列產生的聚焦光點陣列會聚集到非線性晶體的中心，每一個聚焦光點都會激發非線性晶體的特殊效應，將一顆光子轉換成一對糾纏光子對。100個聚焦光點即可產生100對糾纏光子對。研究團隊在多次實驗中已證實了「同源多光子對」之間互相疊加與關聯的量子行為。

以這方法製造的高維度量子糾纏光源芯片，是世界首創，大大有助量子計算進一步突破。

 

 

你知道嗎？ 1毫米= 1,000微米 1微米= 1,000納米

功能擴大n次方

糾纏光子是量子資訊的關鍵，因為其可以較傳統電腦產生多出數以百萬計的位元；然而，在以往的量子計算中，要製造糾纏光子非常困難。

「以前，當大家嘗試用這方法製造高維度量子芯片時，必須使用以不同晶體分裂多次的鐳射光束。」蔡教授稱：「然而，這個方法不適用於高維量子光源的產生，因為鐳射光每次穿過晶體均會減弱。而且整個裝置十分龐大。」

高維度量子糾纏超構透鏡陣列光源芯片示意圖

「我們用超構透鏡陣列結合單個非線性晶體便做到了，這開創了世界先河。」

 

這研究的重要性在哪裏？主要在於它能產生高維度的位元（即極高數目的維度 — d加1）。

 

蔡教授說：「現時傳統電腦是64位元，其計算能力是2⁶⁴。但利用我們的10 × 10超構透鏡陣列，計算能力可以遠超過2¹⁰⁰。更教人振奮的是，我們相信這方法能夠輕易達致更強大的計算能力。」

 

尤有甚者，蔡教授領導的團隊能夠在試驗中取得將近98.4%的保真度，證實了此量子糾纏光源芯片的可行性。除此之外，這種芯片還可以在室溫下操作，如此便毋須再依賴液態氦或液態氮冷卻系統和超高真空設施。

具革命性潛力的重大突破

蔡教授的團隊所進行的嶄新研究，乃是南京大學、中國科學技術大學、國立台灣大學、中央研究院、華東師範大學和國立聯合大學的合作成果。

雖然芯片還在繼續研發，但其革命性的潛力已獲得國際頂尖學術期刊《科學》的肯定，一篇由研究團隊共同撰寫有關實驗結果的文章Metalens-array–based high-dimensional and multiphoton quantum source 於該雜誌的2020年6月刊登。

蔡教授和他的團隊為此深受鼓舞，他們相信，這小巧而可靠的芯片，可以作為新型的高維量子光源，供技術研發使用。蔡教授說：「我們的研究將會幫助量子資訊科學廣泛地應用在我們未來的日常生活中。

吳泳鋒（最右）和劉小源協助蔡定平教授進行是項研究。

「其中一個例子是無現金支付。現時當進行一項交易，會使用2位元（1和0）隨機生成一個保安碼，而這保安碼最多只有4或5個數字。但利用量子計算，所生成的保安碼可以遠超這長度，幾乎是無從破解的。」

 

不過，你手上的智能電話短時間內應該也不會被量子電腦取代。但憑藉理大團隊帶來的突破，向商用的目標邁進了一大步。

 

蔡教授說：「革命由此開始，由我們的芯片開始，這絕對是一項技術上的突破。」