随着量子晶片持续进步，量子通讯已成为量子运算与量子网络不可或缺的重要组成部分。飞行量子位元即是由光子承载的量子讯息，在节点之间的数据传输中发挥着关键作用。香港理工大学应用数学系教授张国峰教授致力于研发飞行量子位元的精确控制方法，以期显着提高未来科技中，量子资讯传输的可靠度与保真度。
量子技术正从理论奇迹迅速转化为实际工具，有望在电子计算、通讯及感测领域带来革命性突破。这项转变的核心在于量子网络──将遥距量子处理器（又称静止量子位元）连接起来以共享资讯的系统。为了确保这些网络正常运作，资讯必须在节点之间进行可靠传输，而这正是飞行量子位元发挥关键作用的地方。
假设一个飞行量子位元是一个量子包裹，其中包含脆弱的量子态——类似于传统位元的「0」与「1」，但处于叠加态。这个量子包裹并非由货车运载，而是由单一光粒子（光子）沿着波导传送，类似量子数据的光纤电缆。为了让接收者成功打开包裹，并获取其原始量子资讯，包裹不仅要保持内容完整无缺，还必须具备特定的形状及形式。「形状」是指光子的时间分布，即其在时间域中被侦测到的机率分布。形状不符会导致量子资讯遗失或损坏，因而严重影响网络效率。
张教授与研究团队正在探索一项创新方法，以解决这个关键的形状问题。该研究将量子最佳控制理论（QOCT）引入了飞行量子位元领域。团队将塑形过程视为一项最佳控制问题，展示如何设计控制脉冲，以补偿现实硬件的缺陷，为构建更可靠、更保真的量子网络奠定基础。这项研究以「用于飞行量子位元塑形的量子最佳控制理论」（Quantum optimal control theory for the shaping of flying qubits）为题，已发表于《物理评论应用》（Physical Review Applied）。
该研究是量子光与物质介面控制领域的重大进展，其主要成果如下：
1. 量子最佳控制理论的开创性应用：研究成功将用于操控静止量子位元的量子最佳控制理论（QOCT），应用于独特的飞行量子位元领域，为量子光子学建立全新的设计范式。
2. 全面应对现实缺陷：该框架同时解决了多项普遍存在于超导量子平台的主要问题：如超导量子发射器的非谐性问题（能阶泄漏），以及实用耦合器调谐范围的受限（光子泄漏）。
3. 明确的控制机制分析：该研究明确分析了相干控制（u(t)）及非相干控制 （γ(t)）的独立及联合作用。结果表明，虽然可调谐耦合器是塑形的基础，但相干控制也是缓解调谐限制的重要辅助工具。
4. 灵活实用的框架：该方法并不局限于特定硬件。基于梯度式的优化方法提供了一套灵活的系统化方案，不仅可扩展至其他类型的发射器及多个波导，更可结合进阶最佳化或稳健控制技术。
该研究提出的框架，开启了数个令人期待的未来研究方向。下一步的重点工作，包括将控制设计扩展至更复杂的操作，例如生成用于分散式量子协定的飞行量子位元纠缠对，或在接收节点捕捉及转换飞行量子位元。最终目标是构建基于飞行量子位元的远程量子闸，实现两个遥距静止量子位元之间，直接进行量子逻辑运算，而无需预先进行纠缠分布。
总而言之，有效率地控制飞行量子位元，是实现功能性量子网络的基石。这项研究将量子位元的塑形问题转化为最佳控制问题，提供了一套强大而有系统的工程工具。该方法不仅突破了理想化模型的限制，还为现今未臻完美的装置提供了解决方案，这标志着量子技术从实验走向可靠、可扩展量子资讯技术的重要一步。智能控制设计与先进硬件之间的协同作用，最终将会塑造出量子连接的未来。
资料来源：Innovation Digest
