最近上映的美國超級英雄電影「蟻人與黃蜂女」(Ant-Man and the Wasp)，片中提到很多量子現象，像是幽靈(Ghost)具有「量子穿隧」(Tunneling)的能力，以及蟻人與黃蜂女之間的思緒形成了「量子糾纏」(Entanglement)現象；這些在奈米(10^-9 m)尺度下顯示出來的量子現象，能夠被用來製作運算能力強大的量子電腦。就讓國家實驗研究院的奈米元件實驗室來和大家介紹：量子電腦和一般電腦的差異性、運作原理，以及未來可能會如何發展。

量子電腦的應用

現今家用電腦的處理速度已經相當快了，不管是存取檔案，還是資料處理，都已經不像十幾年前那樣，還需要經過長時間的等待。那是否仍存在一些傳統電腦難以解決的問題，會需要透過量子電腦呢? 舉一個實際而簡單的例子：假設今天要預估去19個國家旅遊的最短路徑，透過傳統1GHz的電腦需要循序去計算不同的排列組合(算式是19!=19x18x17…x3x2x1)，那將花上數年的時間才能夠完成整個計算。但若使用量子電腦，由於運算方式的不同(√n!)，將可以在一分鐘內就能快速獲得解答。又如電腦解密、化學和製藥、分子的研究模擬等，也都能夠透過量子電腦加速完成，因此顯示了量子電腦對未來科技的重要性。

電腦位元比較

位元是組成電腦最重要的基本單位，量子電腦位元與傳統電腦位元的差異在於，傳統電腦以0或1來計算或儲存。量子電腦則以二個不同的狀態(2 level system)形成基本位元，例如電子自旋向上(spin up)與自旋向下(spin down)。有別於傳統電腦的是，一個量子位元不再以0或1來進行處理或計算，它可以是0或1的疊加態(superposition)，同時可能是0，也可能是1，並給予兩種狀態不同的機率，疊加形成(如上圖)。除了具備「疊加態」的特性外，量子位元還具備了如電影中的「量子糾纏」特性。以電子的自旋為例，電子的狀態可以是自旋向上或自旋向下。當兩個電子產生糾纏時，假設量測其中一個位元為自旋向上，則另一個位元則定為自旋向下；反之亦然。當我們把糾纏的兩個粒子分送兩地A與B，我們在A地量測到的特性，能夠讓我們即刻知道B地的粒子具備的特性。糾纏的特性不僅可以讓更多的量子位元之間產生連結，並已應用於通訊科技。

目前實現量子位元的方式有半導體自旋量子(semiconductor quantum dot)、離子阱(Ion trap)、超導迴路(superconductor loop)、鑽石空位(diamond)和拓樸量子(Topology insulator)。它們各自具備不同的優缺點，以半導體自旋量子而言，它與傳統的IC製程相容，容易在尺寸上進行微縮，但其熱穩定性較低。離子井則具備相對的溫度穩定性，能在室溫下操作，但操作速度相對較慢。超導迴路則具備製程簡易與低成本特性，但需操作在極低溫下(mK)。鑽石空位具備良好的溫度穩定性，但卻不易產生糾纏。拓樸絕緣體理論上具備相當好的穩定性，不易受外界干擾，但尚未被實現。

量子電腦的展望

目前Google已製作了72個量子位元，部分應用已超越目前的超級電腦。未來量子電腦技術將愈來愈成熟，從研究層面進而應用於人工智慧、化學、通訊與醫學等實務層面，帶領人類科技更上一層樓。因此，投入量子電腦的研究，將是刻不容緩的課題。