隨著量子晶片持續進步，量子通訊已成為量子運算與量子網絡不可或缺的重要組成部分。飛行量子位元即是由光子承載的量子訊息，在節點之間的數據傳輸中發揮著關鍵作用。香港理工大學應用數學系教授張國峰教授致力於研發飛行量子位元的精確控制方法，以期顯著提高未來科技中，量子資訊傳輸的可靠度與保真度。
量子技術正從理論奇蹟迅速轉化為實際工具，有望在電子計算、通訊及感測領域帶來革命性突破。這項轉變的核心在於量子網絡──將遙距量子處理器（又稱靜止量子位元）連接起來以共享資訊的系統。為了確保這些網絡正常運作，資訊必須在節點之間進行可靠傳輸，而這正是飛行量子位元發揮關鍵作用的地方。
假設一個飛行量子位元是一個量子包裹，其中包含脆弱的量子態——類似於傳統位元的「0」與「1」，但處於疊加態。這個量子包裹並非由貨車運載，而是由單一光粒子（光子）沿著波導傳送，類似量子數據的光纖電纜。為了讓接收者成功打開包裹，並獲取其原始量子資訊，包裹不僅要保持內容完整無缺，還必須具備特定的形狀及形式。「形狀」是指光子的時間分佈，即其在時間域中被偵測到的機率分佈。形狀不符會導致量子資訊遺失或損壞，因而嚴重影響網絡效率。
張教授與研究團隊正在探索一項創新方法，以解決這個關鍵的形狀問題。該研究將量子最佳控制理論（QOCT）引入了飛行量子位元領域。團隊將塑形過程視為一項最佳控制問題，展示如何設計控制脈衝，以補償現實硬件的缺陷，為構建更可靠、更保真的量子網絡奠定基礎。這項研究以「用於飛行量子位元塑形的量子最佳控制理論」（Quantum optimal control theory for the shaping of flying qubits）為題，已發表於《物理評論應用》（Physical Review Applied）。
該研究是量子光與物質介面控制領域的重大進展，其主要成果如下：
1. 量子最佳控制理論的開創性應用：研究成功將用於操控靜止量子位元的量子最佳控制理論（QOCT），應用於獨特的飛行量子位元領域，為量子光子學建立全新的設計範式。
2. 全面應對現實缺陷：該框架同時解決了多項普遍存在於超導量子平台的主要問題：如超導量子發射器的非諧性問題（能階洩漏），以及實用耦合器調諧範圍的受限（光子洩漏）。
3. 明確的控制機制分析：該研究明確分析了相干控制（u(t)）及非相干控制 （γ(t)）的獨立及聯合作用。結果表明，雖然可調諧耦合器是塑形的基礎，但相干控制也是緩解調諧限制的重要輔助工具。
4. 靈活實用的框架：該方法並不局限於特定硬件。基於梯度式的優化方法提供了一套靈活的系統化方案，不僅可擴展至其他類型的發射器及多個波導，更可結合進階最佳化或穩健控制技術。
該研究提出的框架，開啟了數個令人期待的未來研究方向。下一步的重點工作，包括將控制設計擴展至更複雜的操作，例如生成用於分散式量子協定的飛行量子位元糾纏對，或在接收節點捕捉及轉換飛行量子位元。最終目標是構建基於飛行量子位元的遠程量子閘，實現兩個遙距靜止量子位元之間，直接進行量子邏輯運算，而無需預先進行糾纏分佈。
總而言之，有效率地控制飛行量子位元，是實現功能性量子網絡的基石。這項研究將量子位元的塑形問題轉化為最佳控制問題，提供了一套強大而有系統的工程工具。該方法不僅突破了理想化模型的限制，還為現今未臻完美的裝置提供了解決方案，這標誌著量子技術從實驗走向可靠、可擴展量子資訊技術的重要一步。智能控制設計與先進硬件之間的協同作用，最終將會塑造出量子連接的未來。
資料來源：Innovation Digest
