克服兩大困境 清大用一顆光子造出世界最小量子電腦

清华大学教授褚志崧（右一）领导的研究团队今天宣布成功研发出全世界最小的量子电脑，仅使用一颗光子。图／清大提供

量子电脑挟着强大运算速度和能力的潜能，近年频被各国视为科学界和产业界重点发展技术。国立清华大学物理系、前瞻量子科技研究中心教授褚志崧领导的研究团队今宣布研发出全世界最小的量子电脑，运算上仅需使用一颗光子，并克服量子电脑需在极低温下运作，及害怕震动与电磁场干扰的困境，这也是台湾研发出的第一套光学量子电脑。

清大校长高为元说，他去年才参观过美国最先进的量子电脑实验室，印象最深刻就是庞大的冷却系统，将温度控制在摄氏零下273度，设备也占去一个大房间；清大今天发表的光量子电脑却可在室温下操作，且设备只有一个盒子大，非常不容易。

褚志崧指出，对一台电脑而言，最基本的单位或单元是电晶体，传统电脑会有上亿个电晶体，团队研发的量子电脑却只使用一个电晶体，才会称这是全世界上最小的量子电脑。

褚志崧说，若将大量资料压缩到一个量子的电晶体，这样的系统叫做光子（Photon），是传递电磁作用的基本粒子，国外发展的光量子电脑最多可达到数百颗光子，但光子为机率性出现，很难控制让多颗光子同时出现，因此，他改变思路，「何不专注在把所有资讯都压缩在一颗光子上？」

为了让一颗光子携带更多的资讯，研究团队成功研发出可在一个光子的32维空间里储存资讯的技术，这宛如「多重宇宙」。因为1维是一条线；2维以长、宽成一平面；3维则是长、宽、高的立体。他打造的这颗光子，则有32维空间来储存资讯，也就是32次元，打破了世界纪录。

禇志崧比喻，有32维储存空间的光子，就像是把一台只能载一个人的脚踏车，改造成一台连结32节列车的火车，就能载运更多的乘客。

禇志崧解释，一般电脑用电在电路板上传输来进行运算，光量子电脑则是用光来传输资料，并透过量子力学来进行运算。不同于传统电脑的位元（bit）只能代表0或1，量子电脑的量子位元（qubit）可以同时处于0和1，这种特性称为「量子叠加」，使量子电脑在处理质因数分解、大数据搜寻等复杂运算时，速度可比传统电脑快数亿倍。

量子电脑的发展深受期待，但也面临两大挑战，首先是电子及离子的量子电脑必须在极低温下运作，耗能且成本高昂；其次是量子态很容易受到振动或电磁场的干扰，导致资讯遗失、计算错误。但禇志崧研究团队仅用一颗光子造出的光量子电脑，则克服了这两大困境。

禇志崧指出，光子可在室温下保持稳定的量子态，不需要极低温环境，耗能少，成本也较低。此外，光子可以长距离传输，不易受干扰，对将量子电脑投入商业化应用具有独特的优势。

清大理学院长牟中瑜指出，褚志崧的研究成果有别于目前国际间所追求的建构主流，它的优点是可结合同样采用光来传输的量子通讯，形成量子网路，并且可以在室温下进行，这是很大的突破，特别是该技术可与目前的矽光子技术结合、与古典电脑整合在一起，有很大的潜力让台湾能延续在半导体技术的优势，是台湾主导量子电脑发展的契机。

清华大学今天发表在一条环状光纤内跑动、只有一颗光子的光量子电脑。图／清大提供

禇志崧说，研究团队成功研发出可在一个光子的32维空间里储存资讯的技术，就像是把一台只能载一个人的脚踏车，改造成一台连结32节列车的火车，就能载运更多的乘客。图／清大提供