量子計算和量子通訊等量子科技運用量子世界裡疊加和糾纏的特性，強化計算的2速度或通訊的安全，但製備這些量子特性通常需要純度非常高的單光子或糾纏光子對。國立清華大學褚志崧教的授研究團隊以單光子和糾纏光子的波包塑形發展出獨特的單光子和糾纏光子純化技術，實現常溫下純度最高的半導體奈米晶體（或量子點）單光子源，並展示如何讓完全消失的糾纏特性起死回生。褚教授的研究工作有助於在非理想的環境下發展量子計算或量子通訊。

　　近年來量子科技和傳統科技的結合逐漸形成一股趨勢。以新藥物的開發為例，藥物開發過程如開採金礦般耗時也耗財，在與時間賽跑的壓力下，如何縮短開發時程極為重要。量子計算因為有相對於傳統計算指數增長的高速運算能力，能在大量的分子結構分析上提供一臂之力，故可望成為藥物開發的新助力。而另一種量子科技—量子密鑰分發，多年前也被應用於絕對安全的加密技術中，此技術希望借助單光子絕佳的自身保護能力，預防全球數百億商機的電子商務和國防安全可能面對的嚴重資安威脅。這些量子科技之所以能強化計算速度或通訊安全是因為它們高度運用了量子力學裡的疊加和糾纏特性，但製備此量子特性需要極高純度的單光子和糾纏光子對。

　　國立清華大學褚教授研究團隊以單光子和糾纏光子的波包塑形發展出獨特的單光子和糾纏光子純化技術[1－3]，實現常溫下純度最高的半導體奈米晶體（或量子點）單光子源，並展示如何讓完全消失的糾纏特性起死回生。半導體奈米晶體因為適合大量生產，又能和其他半導體元件整合，它的拓展性與實用性一直是發展量子計算或量子安全通訊的獨特優勢。不過在常溫下半導體奈米晶體的單光子純度總是受限於過寬的多光子螢光光譜，以致於奈米晶體單光子源必須在零下270度的溫度下運作才能維持其高純度，因此嚴重限制其未來的發展性。褚教授透過奈米晶體單光子源的螢光光譜分析，釐清單光子和多光子螢光的發光順序，以此發展出時間上的多光子分離術，成功將單光子與多光子區隔，達到單光子純化的目的。此技術不但有效去除常溫下奈米晶體單光子源的多光子螢光，也克服奈米晶體單光子源在高功率激發下單光子純度會下降的嚴重缺點，讓單光子源在常溫下既能維持高純度又能提高其亮度，這項研究成果使量子電腦或量子通訊有望在非低溫環境的半導體平台實現（圖一、圖二）。

圖一：左圖的灰色包絡線和紅色曲線分別為調製前和調製後的量子波包。右圖為不同的量子點在調製前（上）和調製後（下）的單光子品質（與純度成反比關係）。
 

 　　褚教授的研究團隊更進一步將此純化技術應用在光子對上，以此技術純化其量子干涉和糾纏特性。這些量子特性都是實現純光學量子計算的邏輯閘需要的關鍵技術，但它們卻很容易受到光子對自身的可區分性而消失。褚教授的研究團發現對糾纏光子進行週期性的波包塑形後能有效篩選出同質性高的光子對，並復原已被破壞的量子干涉或糾纏特性。在適當設計波包塑形的調製波形下，研究顯示已經消失的量子干涉或糾纏甚至能被完全修復，這項技術有助於在非理想的環境下實現純光學量子計算或遠距離量子通訊。

圖二：左圖為調製後的糾纏光子波包。中圖和右圖分別為調製前和調製後量子態的斷層掃描，右圖裡的非對角項代表量子糾纏的再現。

參考資料：

• C.-S. Chuu, C.-Y. Cheng, C.-H. Wu, C.-Y. Wei, S.-Y. Huang, S.-W. Feng, Y.-J. Chen, and C.-Y. Yang, “Purification of Single and Entangled Photons by Wavepacket Shaping,” Adv. Quantum Technol. 4, 2000122 (2021).
• C.-H. Wu, C.-K. Liu, Y.-C. Chen, and C.-S. Chuu, “Revival of Quantum Interference by Modulating the Biphotons,” Phys. Rev. Lett. 123, 143601 (2019).
• S.-W. Feng, C.-Y. Cheng, C.-Y. Wei, J.-H. Yang, Y.-J. Chen, Y.-W. Chuang, Y.-H. Fan, and C.-S. Chuu, “Purification of single photons from room-temperature quantum dots,” Phys. Rev. Lett. 119, 143601 (2017).