清華大學用一顆光子造出全世界最小量子電腦

清华大学今天宣布成功研发出全世界最小的量子电脑，鸿海研究院量子计算研究所所长谢明修（左一）、台积电余振华院士研究团队成员吴宇彤博士（左四）也出席关注。记者李珣瑛／摄影

清华大学物理系、前瞻量子科技研究中心教授禇志崧领导的研究团队16日宣布，成功研发出全世界最小的量子电脑—仅仅使用一颗光子，就可以在室温下进行运算，这也是台湾研发出的第一套光学量子电脑。未来可以与矽光子技术结合，成为台湾主导电子电脑发展的契机。鸿海研究院量子计算研究所所长谢明修、台积电余振华院士研究团队成员吴宇彤博士也出席关注。

褚志崧团队今天在记者会现场展示，以在一条环状光纤内跑动、只有一颗光子的光量子电脑来完成质因数分解等复杂的数学运算，如15=5x3。这是全世界首次以一颗高维度、也就是多次元的光子来实现量子演算法。

褚志崧团队已将这项领先全球的突破发表在上个月的《物理评论》期刊（Physical Review Applied）。

清华大学校长高为元表示，褚志崧团队今天的发表绝对是量子电脑的一大里程碑。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；清华团队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，「真希望未来我们每个人桌上都有一台光量子电脑！」

褚志崧指出，光子（Photon）是传递电磁作用的基本粒子，为了让一颗光子携带更多的资讯，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，宛如「多重宇宙」。众所周知，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。而褚志崧打造出的这颗光子，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。

褚志崧指出，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，「这秒还有，下一秒就消失了，」很难控制让多颗光子同时出现。因此，褚志崧改变思路，「何不专注在把所有资讯都压缩在一颗光子上？」团队接下来的目标是持续挑战并提升单一光子的资讯储存容量，让一颗光子能够容纳更多的资讯，实现更复杂的量子运算。

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。褚志崧解释，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。

清华大学理学院院长牟中瑜指出，褚志崧的研究成果为建构量子电脑找到了一套新的途径——单光子的量子电脑。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，特别是此技术可以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。

牟中瑜特别提到，这套光量子电脑是清华大学前瞻量子科技研究中心自主研发的成果，展现清华在量子科技的创新能力与技术实力。光量子电脑技术未来的应用范围将十分广泛，包括加速新药研发、优化物流、并可与量子通讯结合以改善资安等；以其大幅超越目前超级电脑的计算效率，可进一步推进AI等未来产业的发展。

鸿海研究院量子计算研究所所长谢明修也应邀参加发表会，他赞誉清华大学各领域的人才都有，最适合投入量子电脑的研发。他也认为，台湾应更积极投入并大力投资量子电脑及量子通讯领域。

台积电余振华院士研究团队成员吴宇彤说，清华今天发表的光量子电脑真的创造了历史，这是前人没有做过的。他认为，光子是非常好的载体，也可望真正实现量子电脑小型化的目标。

清华大学也加入了量子国家队，去年5月宣布成功研发出台湾第一个量子加密通讯网路，可永久加密而不被破解，大幅提升网路通讯的安全性至国安等级。

清华大学物理系、前瞻量子科技研究中心教授褚志崧展示以在一条环状光纤内跑动、只有一颗光子的光量子电脑来完成质因数分解运算。图／清大提供

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——仅仅使用一颗光子。图／清大提供