陽明交通大學 × 離子阱實驗室以非局域超穎介面攻克光學極限

走進一間傳統的量子運算實驗室，映入眼簾的通常是占滿一整張光學桌的精密透鏡、反射鏡與雷射光源，猶如一片鋼鐵與玻璃組成的叢林。

然而，這幅場景正迎來變革。在陽明交大光電工程系副教授張祐嘉團隊與鴻海研究院離子阱實驗室的合作下，龐大的光學系統正被縮小到一片指甲大小的氮化矽晶片上。這不僅是光學元件的微縮，更是臺灣從電子積體電路跨足量子光子晶片的重要里程碑。

從理論探討轉向殺手級應用

這場跨界合作，源於學術界前瞻技術與產業應用場域的精準對接。陽明交大在超穎介面與奈米科學領域長期執牛耳，鴻海研究院則專注於建構可規模化的離子阱量子計算架構。

離子阱量子電腦需要極其精準的光束來操控離子位元，且往往需要同時控制多個位元。傳統光學桌雖然靈活，但面對大規模、一千顆甚至一萬顆量子位元的未來需求，卻顯得力不從心。離子阱實驗室提供的「系統級整合」視角，讓陽明交大的研發從元件端跨入系統端，解決硬體落地的難題。

本次合作核心成果，是研發出整合在氮化矽波導上的「非局域可見光超穎介面」。張祐嘉解釋，在光學工程上，要在532nm綠光波段下維持高品質光束，是巨大挑戰；傳統超穎介面為了控制光相位，需要製作極小、具備高深寬比的結構，然而當光的波長變短時，這類微細結構的製程難度會呈指數級成長。

為了克服這一點，張祐嘉團隊導入「非局域設計」，毋須將光極度局限在單一微小結構內，而是讓光分散在多個原子之間。這種設計對半導體製程更加友善，降低製造難度，同時仍能維持高度精準的局部控制能力，產生高品質光束。

此外，在材料選擇上，雙方摒棄矽光子常用的矽，轉而採用氮化矽。這是因為矽會吸收可見光，而氮化矽從可見光到紅外光波段皆具備優異透光率與耐受性，且與現有半導體製程高度相容，是目前國際發展離子阱電腦的首選材料。

在這項合作中，鴻海研究院更扮演至關重要的規格定義者與橋梁角色。

在合作初期，雙方經歷跨領域的磨合。陽明交大擅長的是「波導損耗」、「相位控制」等光學指標；而離子阱實驗室關注的是「量子位元保真度」等量子計算指標，並將這些複雜的量子指標對接到光學元件規格上，讓陽明交大研發人員理解，一個光束對不準，對量子系統會帶來何種相對應影響。

目前的研發成果已成功在532nm綠光下實現，展現極佳的通用性。由於超穎介面的設計原理具備跨波段擴展的潛力，未來團隊預計將整合紅光、藍光，甚至攻克損耗較高的紫外光波段，將多種雷射光整合在同一晶片平台上。

離子阱實驗室與陽明交大的這項合作成果，也向全球產業界發出訊號—臺灣憑藉著強大的半導體產業鏈優勢，已具備跨足高附加價值量子光子晶片的實力。從晶片設計、製造到精密封裝，這套完整的產業鏈將使臺灣在未來的量子競賽中，不僅擁有代工能力，更掌握量子系統的核心輸送技術。