鴻海研究院第二屆「NExT Forum」量子計算論壇，將主題聚焦於量子通信技術與應用，並邀請國立清華大學光電研究所教授李明昌分享關於量子光學及矽光子科技的應用與挑戰。

李明昌教授任教於清華大學電機系以及光電所，2016年至2019年期間擔任電子與光電研究所智能應用微系統組研發組長，專精於線性及非線性矽光學技術以及各式量子光學元件，並取得國內及國外多項專利。

矽光學技術

傳統的自由空間光學實驗裝置（free-space optics）需要在光桌上精確地設置許多光學儀器，並反覆調整光路，過程相當耗時，且一旦發生問題需要複雜地偵錯並重新架設。但是，如果採用矽光學技術設計整合式光學晶片，系統的可拓展性（scalability）、相位穩定性（phase stability），及非線性光學性質（non-linearity）將有顯著進步，對光量子科技的發展至關重要。

為何選擇矽？

整合式光學晶片使用「矽」作為基材的優點如下，一、矽是地球上含量十分豐富的物質，因此可以降低裝置本身的成本；二、製造矽光學晶片的製程和目前半導體製程相關性高，因此許多發展成熟的蝕刻技術，可以直接用於矽光學晶片。當前數以萬計的主動或被動光學元件也可以被設置在晶片上，完成各式任務。

矽光學元件與量子光學

矽光學元件在傳統光學領域已取得巨大成功，許多物理學家也提出使用矽光學晶片進行量子光學實驗的構想，下圖即展示了一個安裝於矽光學晶片上的量子光學平台。量子光學中的重要任務包括，光子產生（photon generation）、光子操作（photon operation），及單光子偵測（single photon detection），皆可由對應的多種光學元件達成。僅管量子光學任務和傳統光學元件任務有對應關係，但彼此關注的性能標準並不同。傳統光學元件追求的是高速，但是，量子光學元件的訊號通常極其微弱，因此更重要的是低損耗（low photon loss）。

矽量子光學元件－光子產生

在矽量子光學元件上，可以透過各式物理過程（SPDC or SFWM），在需要時產生合適頻率的光子，且由於光學晶片的光學局限性（optical confinement）高，電磁波和物質的交互作用可以很強，因此光子的產生非常有效率。

矽量子光學元件-光子偵測

目前適合用於矽光學晶片進行單光子偵測的偵測器，大致可分為「基於超導效應(SNSPD)」與「半導體光學(SPAD)」兩類。前者需要在極低溫下運作，但在偵測效率及暗計數（dark count rate）上，明顯優於僅需運作於常溫的後者。

矽光子操作以及量子計算

矽光子系統也被視為是進行量子計算的良好物理平台．不同於自由空間光學常以偏振態表達量子位元，整合式矽光子系統常使用不同光子路徑的資訊來表示量子位元，而在光路上設置各式光學元件，例如分光器（beam-spliter）、相位轉移器（phase shifter），和光子干涉器（interferometer）等，就可以對量子位元進行邏輯操作，完成量子計算。

以光學元件實現CNOT閘

若希望以光學元件進行多量子位元的操作，如量子計算中極重要的CNOT閘，可以用適當的分光器及干涉器配合輔助量子位元達成。需要注意的是，由於線性光學元件的機率性質，這裡的CNOT閘必須經由後選擇（post selection）才可以達成，這和其他量子平台的確定性操作（deterministic）有相當不同。李教授的團隊辨便是以氮化矽元件，進行基材實際開發晶片，並成功展示CNOT閘之功能。

結合影像解析技術的量子光學元件校正

李教授的團隊所開發的氮化矽量子光學晶片，能使低功耗運作及精確的溫度控制變得可能，再透過團隊開發的影像解析技術，使得動態校正光路中各個干涉器的相位變得容易。由於相位錯誤是大規模線性光學量子計算的主要錯誤來源，因此，該技術在量子光學元件的可拓展性上是十分重要的貢獻。

矽量子光學晶片的展望與挑戰

矽量子光學晶片受益於發展成熟的半導體技術，因而在可拓展性上表現良好，相當有機會作為量子計算的平台。然而，在取得真正的量子優勢前，仍有許多重要的技術挑戰需要突破．例如光子產生的不確定性、光子偵測的暗計數、偵測效率、高時脈的光子操作，及更可程式化的光路設計等問題．若這些挑戰得以被克服，我們對量子光學的掌握將會有突破性的進展。（撰稿者: 孫欣 shin-sun@oist.jp）

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