克服兩大困境 清大用一顆光子造出世界最小量子電腦

清華大學教授褚志崧（右一）領導的研究團隊今天宣佈成功研發出全世界最小的量子電腦，僅使用一顆光子。圖／清大提供

量子電腦挾着強大運算速度和能力的潛能，近年頻被各國視爲科學界和產業界重點發展技術。國立清華大學物理系、前瞻量子科技研究中心教授褚志崧領導的研究團隊今宣佈研發出全世界最小的量子電腦，運算上僅需使用一顆光子，並克服量子電腦需在極低溫下運作，及害怕震動與電磁場干擾的困境，這也是臺灣研發出的第一套光學量子電腦。

清大校長高爲元說，他去年才參觀過美國最先進的量子電腦實驗室，印象最深刻就是龐大的冷卻系統，將溫度控制在攝氏零下273度，設備也佔去一個大房間；清大今天發表的光量子電腦卻可在室溫下操作，且設備只有一個盒子大，非常不容易。

褚志崧指出，對一臺電腦而言，最基本的單位或單元是電晶體，傳統電腦會有上億個電晶體，團隊研發的量子電腦卻只使用一個電晶體，纔會稱這是全世界上最小的量子電腦。

褚志崧說，若將大量資料壓縮到一個量子的電晶體，這樣的系統叫做光子（Photon），是傳遞電磁作用的基本粒子，國外發展的光量子電腦最多可達到數百顆光子，但光子爲機率性出現，很難控制讓多顆光子同時出現，因此，他改變思路，「何不專注在把所有資訊都壓縮在一顆光子上？」

爲了讓一顆光子攜帶更多的資訊，研究團隊成功研發出可在一個光子的32維空間裡儲存資訊的技術，這宛如「多重宇宙」。因爲1維是一條線；2維以長、寬成一平面；3維則是長、寬、高的立體。他打造的這顆光子，則有32維空間來儲存資訊，也就是32次元，打破了世界紀錄。

禇志崧比喻，有32維儲存空間的光子，就像是把一臺只能載一個人的腳踏車，改造成一臺連結32節列車的火車，就能載運更多的乘客。

禇志崧解釋，一般電腦用電在電路板上傳輸來進行運算，光量子電腦則是用光來傳輸資料，並透過量子力學來進行運算。不同於傳統電腦的位元（bit）只能代表0或1，量子電腦的量子位元（qubit）可以同時處於0和1，這種特性稱爲「量子疊加」，使量子電腦在處理質因數分解、大數據搜尋等複雜運算時，速度可比傳統電腦快數億倍。

量子電腦的發展深受期待，但也面臨兩大挑戰，首先是電子及離子的量子電腦必須在極低溫下運作，耗能且成本高昂；其次是量子態很容易受到振動或電磁場的干擾，導致資訊遺失、計算錯誤。但禇志崧研究團隊僅用一顆光子造出的光量子電腦，則克服了這兩大困境。

禇志崧指出，光子可在室溫下保持穩定的量子態，不需要極低溫環境，耗能少，成本也較低。此外，光子可以長距離傳輸，不易受干擾，對將量子電腦投入商業化應用具有獨特的優勢。

清大理學院長牟中瑜指出，褚志崧的研究成果有別於目前國際間所追求的建構主流，它的優點是可結合同樣採用光來傳輸的量子通訊，形成量子網路，並且可以在室溫下進行，這是很大的突破，特別是該技術可與目前的矽光子技術結合、與古典電腦整合在一起，有很大的潛力讓臺灣能延續在半導體技術的優勢，是臺灣主導量子電腦發展的契機。

清華大學今天發表在一條環狀光纖內跑動、只有一顆光子的光量子電腦。圖／清大提供

禇志崧說，研究團隊成功研發出可在一個光子的32維空間裡儲存資訊的技術，就像是把一臺只能載一個人的腳踏車，改造成一臺連結32節列車的火車，就能載運更多的乘客。圖／清大提供