前瞻技術脈動：光子與量子技術（202506）

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科技產業資訊室(iKnow) - 技術發展藍圖研析團隊發表於 2025年2月27日

圖、前瞻技術脈動：光子與量子技術（202506）

物理學家首次創建了單一多原子分子的光鑷陣列
將原子冷卻至極低溫可精確控制其能量狀態，進而促進原子鐘等多種技術的發展。物理學家推測，若能對分子進行相同的冷卻控制，可能會帶來類似的技術突破。然而，由於分子具有額外的旋轉與振動自由度，使得這項技術挑戰更加艱鉅。目前，研究正嘗試在更複雜、含有更多原子的分子中實現精確控制。

哈佛大學物理學家團隊在《自然》雜誌的論文中，描述其首次成功地將單一多原子分子捕捉在光鑷陣列中。研究小組找到了一種控制一種具有三個原子的分子—CaOH的方法。為控制單一分子，研究人員首先在冷卻至略低於100 mK的真空室中分離其中的幾個分子，然後使用光鑷（雷射）陣列將它們分開，使團隊能夠將精力集中在單一分子上。這使他們能夠操縱分子進入量子基態。

團隊設計了一種對單個分子進行成像的方法，證明了給定的鑷子被加載時不會破壞他們正在研究的分子。這樣做涉及使用額外的雷射器，儘管研究小組發現他們必須以特定的方式調整它們，以減輕雷射光束與分子結構之間的相互作用之間的干擾。然後，研究人員迫使該分子進入所需的量子態，這使他們能夠控制其振動、旋轉和核自旋。然後他們再次對該分子進行成像，以便更多地了解他們的操作結果。
參考資料：Physicists create an optical tweezer array of individual polyatomic molecules for the first time. phys.org. 2024/05/03.

新型超純矽晶片為強大的量子電腦開闢了道路
量子位元(qubit)極易受到環境中微小變化的影響，例如溫度波動。即使在接近絕對零度（攝氏零下273度）的極低溫環境下運行，當前的量子電腦也僅能維持零誤差的相干狀態不到一秒。為了延長量子相干(quantum coherence)時間，可將磷原子的量子位元植入純淨且穩定的矽晶體，以提升其穩定性與運行效率。

由University of Melbourne和University of Manchester研究團隊發表於《Communications Materials》期刊的研究成果指出，該團隊開發出一項突破性技術，用於製造高度純化的矽，使其成為大規模生產量子電腦的理想材料，並具有高精度。該創新為將磷原子的量子位元(qubit)植入純穩定矽晶體中，透過延長量子相干(quantum coherence)時間，克服了量子計算的關鍵障礙。透過該新技術提供的強大相干性，量子電腦有望在幾小時或幾分鐘內解決傳統電腦（包括超級電腦）需要數個世紀才能解決的問題。
參考資料：New super-pure silicon chip opens path to powerful quantum computers. Science Daily. 2024/05/07.

一種新型、低成本、高效率的積體光路
現有的積體光路在成本與效率方面面臨挑戰。為了提升其性能與可行性，可採用深紫外線(DUV)光刻與乾蝕刻技術，實現高性能的鉭酸鋰積體光路。

瑞士聯邦理工學院與中國科學院上海微系統與資訊技術研究所合組的研究團隊，開發了一種基於鉭酸鋰的新型積體光路。他們利用深紫外線(DUV)光刻和乾蝕刻技術，首先使用DUV光刻將馬赫曾德調變器(Mach-Zehnder modulator, MZM)和光波導的圖案移轉到鉭酸鋰基板上。DUV光刻具有高精度，可實現相當精細的圖案，這對於製造高性能的積體電路至關重要。乾蝕刻技術可精準地去除光阻材料，而不會破壞基板。這項研究可望克服以往高成本及複雜性等限制，實現先進積體光路的商機，相關研究成果已發表於《Nature》期刊。
參考資料：A new, low-cost, high-efficiency photonic integrated circuit. TechXplore. 2024/05/08.

將量子雜訊轉化為量子遙傳突破
量子遙傳(quantum teleportation)是一種在不實際移動粒子的情況下，在不同位置間傳輸量子粒子狀態的技術。然而，在現實環境中，該技術容易受到雜訊與干擾的影響，導致傳輸品質下降。為了提升傳輸效能，提出了一種高效的量子遙傳協定(quantum teleportation protocol)。該協定利用開放量子系統(open-quantum system)中輔助量子位元(auxiliary qubit)與其鄰近環境之間的多部位混合糾纏(multipartite hybrid entanglement)。即使存在純退相干(decoherence)，也無需糾纏資源量子位元(entangled resource qubit)進行貝爾態測量(Bell-state measurement)，仍可實現高保真度(fidelity)的量子傳輸。

由University of Turku和University of Science and Technology of China, Hefei研究團隊發表於《Science Advances》期刊的研究成果指出，該團隊在存在通常會干擾量子態轉移的雜訊的情況下，實現了幾乎無瑕的量子遙傳。量子遙傳是在不實際移動粒子本身的情況下，將量子粒子或量子位元的狀態從一個位置傳輸到另一個位置。該過程需要量子資源，比如額外一對量子位元間的糾纏。儘管在理想情況下，量子位元狀態的轉移和傳送可以完美地完成，但在現實世界中容易受到砸雜訊和干擾的影響，導致傳送品質降低。為了解決該挑戰，研究團隊提出了一個理論概念，並進行了相應的實驗，以改善傳輸品質。該方法為在啟動傳輸協定前將糾纏分配到所使用的量子位元之外，從而利用了不同物理自由度間的混合糾纏。與傳統方法僅依賴光子極化(polarization of photon)來進行量子位元糾纏不同，這種新方法利用了光子極化和頻率間的混合糾纏。該創新技術顯著改變了雜訊如何影響傳送過程的方式，使得即使存在雜訊，幾乎完美的量子遙傳也能實現。(1753字；圖1)
參考資料：Turning Quantum Noise Into a Teleportation Breakthrough. SciTechDaily. 2024/05/08.

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