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敲開量子世界大門的雷射
專訪清華大學光電工程研究所李瑞光教授
敲開量子世界大門的雷射
大自然不是古典的,
Nature isn't classical, dammit,
如果你想要模擬大自然,你最好把它變成是量子力學的,
and if you want to make a simulation of nature, you'd better make it quantum mechanical,
而這是一個精彩的好問題,因為它看起來並不是那麼容易。
and by golly it's a wonderful problem, because it doesn't look so easy.
——理查費曼(Richard Feynman)

每當人們談到量子電腦時,許多時候都會提起 1982 年理查費曼在理論物理國際期刊「International Journal of Theoretical Physics」發表「利用計算機模擬物理學(Simulating Physics with Computers)」論文中的這段話。如今距離 1980 年代理查費曼首次提出將量子體系用於運算的想法,已經過去近 40 年,包括 IBM、Google、Microsoft、Intel 等運用低溫超導、光子、離子阱、量子點、奈米鑽石等多種方式,讓量子電腦具備商轉能力愈來愈近,而幾乎不論那種方式,雷射都在其中扮演相當吃重的角色。

清華大學光電工程研究所李瑞光教授指出,量子位元(qubit)是量子計算和量子通信最基礎的單位,量子可以是電子、原子或光子,只要能夠達到「疊加」和「糾纏」狀態,都可以做成「量子位元」,而且在製作量子位元的過程中,從量子位元的產生、控制、觀察量測,許多步驟都是依靠雷射來完成。

就以清大前瞻量子科技研究中心透過光子製作量子位元的方式來說,當用很穩定的單頻雷射把大量光子射入Type Ⅱ 非線性晶體,滿足相位匹配自發下轉換的條件時,有時會產生一對偏振互相垂直的光子,其中一個若是垂直偏振(V),另外一個就一定是水平偏振(H),在出光圓錐的交疊處,光子對形成糾纏的狀態,在對其中一顆光子進行偏振的量測前,是無法確認這顆光子的偏振,此時這顆光子處在兩種偏振的量子疊加(quantum superposition),一旦進行偏振測量後,當這顆光子的測量結果是V,則另一顆光子必定是H,無論這兩顆光子相距多遠此關聯都保持著,此為量子糾纏(quantum entanglement)的特性。基於此兩種特性所建構的量子位元可以用較少的位元數來攜帶更多資訊,並且彼此之間可以跨越距離進行纏結的交互作用,這正是量子電腦為何較傳統電腦擁有更強大運算能力的關鍵。

清大前瞻量子科技研究中心量子通訊組褚志崧副教授率領的研究團隊在科技部及教育部共同支持下,也是用不同波長的單頻雷射,產生雙胞胎糾纏光子對,並在光纖網路內傳遞加密需要的密碼,展現雙胞胎糾纏光子的疊加態除了能提高量子電腦的運算能力,也因量子態不可複製的特性,讓通訊因為藉由量子加密技術,擁有完美的安全性,接下還準備在新竹科學工業園區旁,建置一個量子加密通訊網路,希望為更大型的量子網路鋪路。

但是製作出來的量子位元,很容易受到振動、電磁場、甚至一般熱擾動的干擾,這也是目前為何許多量子電腦都必須在接近絕對零度、超低溫環境下運作的原因,也使得在各方積極發展量子電腦時,除了如何增加量子位元的數量外,維持足夠的量子態時間,儘可能延緩量子退相干(Quantum decoherence)的發生,讓量子位元儘量穩定,增加運算的正確率,都成為評量量子計算時相當重要的要求。

2012 年加州理工學院物理學家焦恩‧普瑞斯基爾(John Preskill)提出「量子霸權」的概念,當量子電腦發展到 50 個量子位元時,運算能力將會超越世界所有電腦,具有解決傳統電腦解決不了問題的能力。但當一台量子電腦號稱有幾十個量子位元時,還必須進一步瞭解,這些量子位元是處在獨立而不相干的狀態,還是每個量子位元都能互相影響而糾纏在一起,而且當進行複雜的運算時,在有限的時間內,有多少量子位元保持在糾纏態下,若有愈多量子位元沒有處在糾纏態下,要進行除錯的壓力就愈大。

想要讓各個量子位元相互糾纏,甚至控制量子位元的相位、距離等,也能看見雷射的身影。 2019 年當「於利希研究中心」(Forschungszentrum Jülich)的跨國研究團隊讓 20 個量子位元互相糾纏,就是運用非常精準調控雷射光的頻率、強度、持續時間等的技術,讓排成一直線的 20 個電中性的原子,透過調變雷射光束的頻率,進入很高的激發態,甚至精心設計這些原子間的距離,使原子若處於激發態,它旁邊的原子就無法被激發。透過光學的操控技術,實現在有限的時間內,糾纏更多量子位元。

相對於極限雷射的發展,李瑞光教授指出,目前仍主要運用功率較低的雷射,這樣雖然產生糾纏光子對的效率比較慢,但經由光學量測等技術,卻能保證量子位元的品質。通常運用自然存在的光子、電子或離子製作完成的量子位元,比較容易在奈米尺寸上,獲得品質較佳的結果,而且較可以在室溫下產生。

展望未來發展的前景和困難,李瑞光教授認為,當運用光子製作的量子位元需要擴充時,可以空間式的增加光子對,也可以透過時間延遲讓光子對間產生相干性,達到量子位元擴增的要求,並且進行積體化做成量子光學晶片,並搭配矽光子的發展,完成邏輯閘、運算單元等。台灣具備很好的半導體技術,在矽光子、光通訊等方面也頗有著墨,只是在半導體和光學間還是會面臨異質整合的問題,而包括量子運算、量子通訊等所需的元件會是台灣非常適合切入的機會。

使用雷射與非線性晶體進行自發下轉換過程,產生偏振糾纏光子對示意圖,圓錐為所產生光子的分布軌跡,僅在兩圓錐重疊處的光子對具有偏振糾纏的特性
(此圖是參考 https://en.wikipedia.org/wiki/Spontaneous_parametric_down-conversion 的圖進行修改)