第一列
光量子技術
光量子晶片應用於積體化多通道量子隨機亂數產生器
量子隨機數產生器（QRNG）對於科學模擬、量子通信和密碼學至關重要。在這個計畫中，我們藉由檢測室溫下真空態或壓縮態的量子相位變異來開發高速、多通道積體化 QRNG。這項研究工作有幾個顯著特點。首先，我們提出一種新的積體光學平台，能於室溫下在單一晶片上產生、操作和檢測連續可變量子態。該量子態將通過我們設計的低噪聲、高速積體化零差檢測電路，轉換為具有高頻寬的原始信號，後續經由可程式化邏輯閘陣列 (FPGA) 結合演算法及時產生隨機亂數。我們將使用這些隨機亂數於量子密鑰分發、數字簽名和認證、蒙特卡羅方法和深度機器學習。
高速、多通道積體化量子隨機亂數產生器，主要由三個關鍵零件所組成，包含光量子晶片、高速低雜訊零差檢測電路及可程式化邏輯閘陣列。
團隊組成
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共同主持人
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徐韶徽（財團法人國家實驗研究院台灣半導體研究中心）
技術亮點
矽光量子零差檢測模組
- 零差檢測為檢驗連續變數量子光正交相位的重要量測技術，傳統作法為將離散光學元件及電路連接在一起，相當佔體積且不易形成多通道檢測。利用矽光子技術可將離散光學元件積體化並整合在單一晶片上，可執行多通道零差檢測。
- 過去也有用矽光子技術將離散光學元件及平衡光偵測器整合在晶片上，但此項成果則是第一次展示將矽光子元件、光纖及後端零差檢測電路組裝於PCB上成單一模組。
- 零差檢測模組為讀取真空態量子躁音的關鍵組件，為產生量子隨機亂數的源頭，後續會與FPGA模組整合形成可攜式量子隨機亂數產生器
矽光量子零差檢測模組應用於隨機亂數產生。此模組整合光纖陣列、矽光量子晶片、零差檢測電路於單一電路板，可同時監控光平衡及輸出真空態量子躁音用於產生隨機亂數。
波導側壁粗糙修復製程
- 此技術欲解決問題：
波導在經過蝕刻後在側壁會形成一粗糙表面，該粗糙表面會造成波導的傳輸損耗，無法實現高品質因子的共振腔 - 重要性/突破性：
我們開發一後處理製程，在波導蝕刻後經由此製程可大幅降低側壁粗糙，經由TEM形貌觀測可證明該技術可修復波導蝕刻後側壁之不平坦形貌，其粗糙度可低於一奈米以下。 - 與計畫未來研發方向的關聯性：
本計畫最終目標為開發一氮化矽光量子平台，可以產生光量子態及同時作檢測，上述之後處理製程有益於對未來氮化矽波導欲達成低光傳導損耗之目的。
左TEM：剛蝕刻完之波導側壁形貌
右TEM：經後處理後之波導側壁形貌
連續真空態相位產生、量測及亂度分析
- 此技術欲解決問題：
分析連續真空態相位亂度，作為量子隨機亂數產生的基礎 - 重要性/突破性：
通常原始量測得到的真空態相位訊號會夾雜其他的電子元件的雜訊，我們必須透過後端訊息處理過濾出實際的真空態相位訊號。 - 與計畫未來研發方向的關聯性：
本計畫目標即為量測連續真空態相位擾動以產生量子隨機亂數。
我們在光學桌利用離散光學及電子元件量測真空態相位擾動（F1），其相位擾動在示波器的顯示如F2. 接下來從示波器儲存的資料中分析真空態相位擾動分佈，如F3. 最後再分析其自相關程度以判斷其亂度。