通用單位矽光子積體電路（Universal Unitary Photonic Integrated Circuits, PIC）因能執行任意單位變換，成為光通訊、深度學習與量子資訊處理領域的重要工具。其核心元件為馬赫-曾德干涉儀（Mach-Zehnder Interferometers, MZIs），搭配方向耦合器或多模干涉耦合器進行光分束。
理想情況下，MZI 的光分束比例應精確維持 50:50，但製造過程中的誤差導致分束比偏差，使操作準確性在目標波長下受限，並影響電路的波長適應性。此外，Clements 等人提出的經典電路結構雖能實現任意 𝑁×𝑁單位矩陣，卻無法有效應對硬體誤差。
最佳化方法與原理
研究團隊提出以增加 MZI 階段數並結合模擬退火演演算法（Simulated Annealing, SA）來全球最佳化相位參數，補償製程誤差，提升操作保真度。具體流程包括：
1.誤差來源分析
實際產生的矩陣𝑈exp 與目標矩陣𝑈間的偏差可透過保真度公式量化。當分束比例偏離 50:50 時，增加 MZI 階段數能提升矩陣實現準確性。
2.數值模擬驗證
團隊針對4×4電路進行數值模擬，分析不同 MZI 階段數對保真度的影響。假設相位控制精度為 0.01 rad，分束比平均值為 𝑟:100−𝑟（標準差為 2），並使用 1000 個 Haar 隨機單位矩陣作為目標。結果顯示，即便無新增階段，最佳化後的平均保真度明顯提升，而適量增加階段數則進一步改善效果。
實驗驗證
實驗中，研究團隊在絕緣體上矽（SOI）平台上製作4×4通用單位光子積體電路，並進行以下驗證：
1.實驗設定
電路核心波導尺寸為440×220nm2，使用熱光相位調制器調整 MZI。輸入波長為 1.55 μm，調整所有相位以實現兩個二元矩陣。
2.波長適應性測試
測量保真度隨波長（1.5–1.6 μm）的變化，並應用演演算法進行不同波長的最佳化。結果顯示，即使未新增 MZI 階段，最佳化後的保真度於偏離目標波長時依然顯著提升。
結論與應用前景
本文提出的增設 MZI 階段與通用相位最佳化方法，有效提升通用單位光子積體電路的操作保真度。實驗驗證表明，該方法適用於靜態場景，可在光通訊、深度學習與量子資訊處理中實現更高效的運算效能。
參考資料
[1] R. Tang, H. Tang, K. Ikeda, M. Okano, K. Toprasertpong, S. Takagi, and M. Takenaka, "Global Optimization of Universal Unitary Photonic Integrated Circuits," Department of Electrical Engineering and Information Systems, The University of Tokyo, Tokyo, Japan; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, Ibaraki, Japan, 2024, pp. 1-6, doi: 979-8-3503-9404-7/24/$31.00 ©2024 IEEE.
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