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重大突破/超級量子芯片 加快電腦運算\大公報記者 湯嘉平

時間:2021-01-14 04:23:39來源:大公報

  量子科技有望為新通訊技術、另類能源、防黑客加密技術等領域帶來重大突破。香港理工大學教授蔡定平及其團隊以多個微型「超構透鏡」為基礎,不久前研發出高維度量子糾纏光源芯片,其計算能力比一般電腦快許多,而因為芯片能在室溫下穩定操作,較現時的量子電腦更勝一籌。團隊表示,此項突破性的研究,將有助於量子資訊科學廣泛應用於未來日常生活,例如加密服務,使交易密碼更不易破解等等。

  香港理工大學(理大)聯同兩岸三地多間著名大學的科研團隊,合力研發高維度量子糾纏光源芯片。該研究工作為高維度量子糾纏光源芯片的研發,結合量子光學與超構表面光學,設計並製作10×10超構透鏡數組,從實驗上證實了同源多光子對之間互相迭加與關聯的量子行為,實現了高維度量子糾纏光源芯片。

  項目主要負責人、理大電子及資訊工程學系講座教授兼系主任蔡定平教授說,理大團隊研發的高維度量子糾纏光源芯片,其「賣點」就在於高維度。高維度即同時可進行的計算空間和路徑增加了,維度愈多,電腦的運算能力就愈強大。「現時傳統電腦是64位元,其計算能力是2的64次方:但我們芯片中用到的10×10超構透鏡陣列,計算能力可以遠超過2的100次方。更令人振奮的是,我們相信這方法能夠輕易達至更強大的計算能力。」

  超構透鏡保激光不被削弱

  香港理工大學研發的芯片主要由超構透鏡和非線性晶體組成,其運作過程是激光通過超構透鏡到非線性晶體後,產生糾纏光子對。

  而幫助產生高維度位元的,就是超構透鏡。蔡教授說,其設計原理是以氮化鎵為材料,製作納米等級的天線陣列平面。這些納米天線陣列藉以捕捉激光光束中的光子,再將之聚焦於同一點上。他續指,研究團隊所開發出的納米天線一般是45納米闊×80納米長×800納米高。合共超過250000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。

  蔡教授團隊人員之一、理大電子及資訊工程學系助理教授(研究)陳沐谷博士說,相較於以前普通的鏡片,超構透鏡能保證激光穿過鏡片時不被削弱光線。「打個比方,激發光源是茶包,非線性晶體是茶杯中的水,糾纏光子對數量是茶包泡出的濃度。傳統的技術,是先用茶包泡第一杯茶,泡完再用這個茶包泡第二杯,然後再用這個茶包泡第三杯……愈到後面,則茶色愈淡,就像是激光通過第一個晶體後光會被削弱,愈到後面激光就被損害得愈厲害。」

  陳博士續解釋,理大的新方法則相當於有100個茶包同時去泡100杯茶,這樣每一杯茶的顏色相若、濃度相若,同時又很快速,不用一杯接着一杯泡。「換句話說,同一束光照到傳統鏡片再到非線性晶體之後,只會產生一對糾纏光子對;但照到蔡教授的超構透鏡再到非線性晶體之後,就會產生超過100對糾纏光子對。」而糾纏光子對的數量愈多,就能產生愈多維度的量子位元,讓量子電腦的計算能力愈快愈強。

  陳博士表示,該芯片已在試驗中取得98.4%的保真度,又可在室溫下操作,毋須再依賴液態氦或液態氮冷卻系統和超高真空設施。他續指,研發芯片的意義在於幫助量子科技的實際應用,例如加密服務。他以網上購物為例,指交易時一般要輸入六位數的交易密碼,倘若沒有時間限制,有不法分子就可能從000000、000001一直試到999999,以找到正確的數字組合,然後去盜刷持卡人的卡;若是利用量子技術,設置成100位數字組合,不法分子要試密碼的話,工作量就會大很多,「要試到天荒地老才有可能破譯你的密碼。」

  「人類將進入量子科技時代」

  蔡教授的團隊已把成果刊登於國際頂尖學術期刊《科學》,蔡教授表示,團隊不久前獲研究資助局的「卓越學科領域計劃」撥款7000萬港元,撥款將用於超構光學、超構聲學和超構元件的研發工作中。「從工業革命到現在的工業4.0時代,人類的科技文明在不斷快速地成長,就好像激光,也不過是大約70年前才發明的。我相信人類在不久的將來會進入量子科技的時代。」

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