HHRI/積體光路晶片實現量子通訊的發展與挑戰

【鴻海研究院】
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積體電路發展至今已超過半世紀,而人類為了追求傳輸速度上的突破,也開始研發積體光路的可能性。國立中央大學光電科學與工程學系教授陳彥宏的「非線性積體雷射光學實驗室」團隊長期深耕該領域,也是「全球第一個在鈮酸鋰晶片上實現絕熱耦合的實驗室」。

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鴻海研究院在12月12日舉辦第二屆的「NExT Forum」量子計算論壇,將主題聚焦在量子通訊技術與應用,邀請國立中央大學光電科學與工程學系教授陳彥宏,分享利用積體光路晶片發展的光量子位元所具備的優勢與挑戰,以及其實驗室在該領域的研究成果。

積體光路晶片在發展上的優勢

量子位元作為量子電腦的核心基本單元,是個能表現如量子疊加和量子糾纏等量子特性的物理系統,而能實現這些性質的物理系統有很多種,並且具有著不同特性與限制。例如,以超導電路製成的超導量子位元,就需要在極低溫系統中運作,以避免環境雜訊影響量子位元產生錯誤;而離子阱製成的量子位元則需要特殊的雷射冷卻技術進行控制,這些都增加了量子位元在規模化上的難度。

相較於積體電路傳遞電子,光電積體電路元件則是傳遞光學訊號,因此被稱為積體光路晶片。不同於前述已經提及型態的量子位元的操作方式,光量子位元在室溫條件下即可進行。其中,光子的波動性質,如路徑、波長、頻率、振幅與偏向性等等許多控制參數,在設置實驗時便可進行調控;藉由半導體製程技術,將所需的條件如調變器、開關、分光器等光學元件,所形成的光路集成在半導體晶片上,就能實現光量子位元。

積體光路晶片的現況與挑戰

積體光路晶片的組成有三大要素,分別為光源、光路、探測器。光子之間難以進行交互作用的特性,使其在非真空與室溫下也不受嚴重干擾。如果選擇非線性晶體製作的壓縮光為連續變量光源,可以使之擁有更小的雜訊,並控制產生量子糾纏。在規模化時,透過壓縮光的技術與半導體製程技術,也能更容易達成多重量子糾纏的要求。

然而目前使用光量子位元所面臨的問題是,隨著光子的傳播會產生光損耗,這些損耗代表著量子系統裡的資訊發生了流失,如果設計了龐大的光路,光在長距離的傳遞下,所累計的損耗將會嚴重破壞量子資訊,使得實驗結果需要更嚴格的檢驗。

結合光纖網路與量子加密演算法實現量子通訊

陳彥宏教授提到,他的非線性積體雷射光學實驗室已經將絕熱耦合的技術與鈮酸鋰晶體成功進行結合,並研發了非對稱性絕熱耦合偏振分光元件及其積光波導空間濾波晶片。利用這些元件製作積體光路晶片,能讓光路的設計具有更多自由度,包含高分光效率、超高頻寬與高製程容忍度等。

當全世界資訊都能互相流通之際,對於各國政府或各商業巨頭來說,如何藉由加密確保資訊傳遞的安全性已成為一件重要的事。目前,藉由量子特殊的性質所發展出的量子演算法已證實,利用量子密鑰分發來傳遞訊息,便可避免密鑰被一般的古典電腦給破解。

陳彥宏教授提到,未來,若是積體光路晶片的技術成熟,並配合目前已發展的光纖網路連結與量子加密演算法,便能成功的實現量子通訊,保障人們擁有更加安全的資訊傳遞方式,讓臺灣跟上全球量子競賽的腳步。(撰稿者:施麗釵)

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全文轉載自鴻海研究院TECH BLOG

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