第一列
光量子是目前最可能在室溫下且晶片化運作的量子計算技術。本計畫以矽基量子光電晶片為平台，積體整合量子光源晶片、量子光學與量測技術、可程控矽光子光路、錯誤碼糾正、多體光量子態驗證與光子數解析偵測器等關鍵核心技術，再基於本團隊過去在矽基光量子晶片上完成光量子位元(qubit)邏輯閘光路晶片之技術，進一步朝向「非高斯連續變量具除錯積體光電晶片量子計算」此一前沿光量子電腦技術邁進。
非高斯連續變量GKP量子態在光量子的運算上具更高的事件發生與成功機率優勢。在實施上，針對量子光電晶片設計、製造、驗證與應用，協助以矽材為基礎的產學研聚落進入量子世代。
「非高斯連續變量積體光電晶片量子計算」計畫團隊所研發之光量子位元晶片
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共同主持人
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李瑞光（國立清華大學光電工程研究所）
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吳俊毅（財團法人淡江大學物理學系）
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吳欣澤（國立中正大學物理學系）
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李依珊（國立清華大學光電工程研究所）
「加光子」產生光學貓態
- 此技術欲解決問題：
光學貓態可以被利用來產生量子錯誤碼糾正態。但是以往只有“減光子”方案被成功實驗，限制了光學貓態的產生率。 - 重要性/突破性：
我們在實驗上完成世界第一個以“加光子”方案，實驗展示光學貓態：並且可達與“減光子”方案一樣大隻的光學貓(振幅為 1.77)，並且維持保真度(Fidelity) 80%，與一個數量級增加的產生率 2.3 x 105 Hz。 - 與計畫未來研發方向的關聯性：
利用光學貓態來產生量子錯誤碼糾正態。
光學貓態的 Wigner 分佈：(a)-(d) 對應的理論分佈; (e)-(h) 在 92% 偵測效率，不同泵浦功率下, 5, 20, 40, 60 mW, 的實驗數據。
出處：Yi-Ru Chen, Hsien-Yi Hsieh, Jingyu Ning, Hsun-Chung Wu, Hua Li Chen, Zi-Hao Shi, Popo Yang, Ole Steuernagel, Chien-Ming Wu, and RKL, "Generation of heralded optical `Schroedinger cat' states by photon-addition," [arXiv: 2306.13011].
時-頻糾纏量子光源與光纖網路之光量子糾纏分發
- 此技術欲解決問題：
將量子糾纏應用於計算或通訊，需要建立穩定的量子光源以及精確的量子糾纏量測方式。為了解決真實應用場景中的技術挑戰，如光纖網路中光子偏極的干擾等問題，探索與傳統不同的物理編碼維度，以及在實驗中驗證量子糾纏的分發都具有極其重要的意義。 - 重要性/突破性：
我們將製備的糾纏態送入一2.64公里的校園光纖網路中進行糾纏分發實驗並觀測到光子的時-頻糾纏態在光纖網路中的穩健性。 - 與計畫未來研發方向的關聯性：
光子的時頻量子資訊（Time-frequency mode quantum information, TFM QI）之物理特性在量子計算與通訊中成為一個熱門的話題。由於光子具備的高頻寬，使得一個單光子可以在TFM上可以編碼大量的量子資訊或是實現高維度的糾纏。
量子糾纏驗證與分發量測結果。(a)、(b)通過實驗室10米光纖及(c)、(d)通過(e)中央大學校園光纖網路的非局域雙光子干涉結果。
出處：光學工程第158期，中華民國光電學會出版 (Optical Engineering, Taiwan Photonics Society, 158, 27 (2023))。
半導體單像素光子數解析偵測器（PNRD），能夠解析多達五個光子狀態，且具有0.99的優異性能指標。
- 此技術欲解決問題：
非高斯量子計算中，光子數目越多可用來產生更為複雜和強度更大的非高斯量子態，例如光子減少態、光子增加態甚或貓態。增加光子數目可明顯提升量子計算的能力、穩定性和精度，但也帶來了更多的技術挑戰與設備需求，例如需要能準確解析光子數目同時能有高光子數容量的單光子偵測器。 - 重要性/突破性：
此技術經過元件與電路優化，大幅提高單光子偵測效率，因此將過往半導體單像素單光子雪崩偵測器的光子數解析容量由三顆提高至五顆，亦同時提高光子數解析之性能指標。 - 與計畫未來研發方向的關聯性：
光子數解析偵測器可以精確測量光子的數量(光子數目態)，從而幫助製備與驗證非高斯量子態，例如貓態、壓縮態和相干態等。這些量子態在量子計算中具有獨特的優勢。進一步確保量子閘操作的準確性與提供錯誤校正精準的光子數訊息。
左上圖：在溫度200K下，不同SPDE值為24％，33％和46％時的峰值輸出訊號分佈。每條曲線顯示不同光子數狀態的高斯擬合。
右上圖：不同光子數狀態的峰值電壓幅度對SPDE的作圖。
右下圖：不同光子數狀態的半高全寬對SPDE的作圖。