與古典電腦相比，量子電腦的運算能力不是單純提升，而是革命性地進展。前中研院應用科學研究中心主任、任職於清華大學物理系的果尚志教授表示，「量子電腦跟古典電腦最大的分野不僅是速度變快，而是做到古典電腦做不到的事情。」量子電腦的核心是「量子位元」（qubit），其所具備的量子現象，正是量子電腦得以擁有跳躍性強大運算能力的原因。
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<h2>量子位元是什麼？與傳統的位元有何不同？</h2>
古典電腦的資訊基本單位稱作「位元」（bit），若將位元想像成一盞燈，透過開關，讓燈一定會處於「亮」或「暗」的狀態，就算卡在中間接觸不良閃爍，也是在「亮」和「暗」之間更替。因此可以理解，在任意一個時間點，燈一定會處於其中一種狀態。位元也是，一定會處於0或1其中一種狀態。
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位元是資訊的基本單位，但由於單位過小，平常並不會使用位元，而是使用「位元組」（byte）。一個位元組由8個位元組成，日常生活中常用來當作電腦容量的單位「G」、「T」指的就是「十億個位元組」（gigabyte, GB）及「一兆個位元組」（terabyte, TB）。所有電腦處理的資訊都是一長串0和1的組合，就連歌曲、影片等電腦上的檔案在電腦中的處理也只是一連串的0和1組合。
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不過，量子電腦並不使用「位元」，而是「量子位元」（qubit）。量子位元並不是以「0或1」的方式來表示，而是以「0和1」同時存在的方式來運作。舉例來說，一個量子位元的狀態可以是「90％的機率為0、10％的機率為1，兩種狀態同時存在」，也可以是「30%的機率為0、70%的機率為1，兩種狀態同時存在」。「兩種狀態同時存在」的情形稱為「疊加態」，是量子現象的特色。然而要讓粒子維持在疊加態需要非常嚴苛的條件，最重要的條件之一就是讓粒子「被孤立」，不可以去「碰」這顆粒子。一旦「碰」到這顆粒子，粒子就會瞬間從疊加態變成0、1其中一種狀態，失去量子特性。
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位元與量子位元的差異經常用硬幣來舉例，位元就像是一枚放在桌上的硬幣，朝上的一定會是正面或是反面；量子位元則像是在桌上旋轉中的硬幣，沒有任何一個面朝上，而是兩種狀態同時存在，這就是「疊加態」。只要沒有人去碰它，就會一直轉下去。一旦有任何東西碰到這枚硬幣，它就會立刻倒下來，變成「其中一面朝上」的古典狀態。
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量子電腦跟古典電腦最大的分野不僅是速度變快，而是做到古典電腦做不到的事情。
－清華大學物理系果尚志教授－
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<h2>量子霸權　新時代的強權</h2>
由於具有「疊加態」特性，若是與位元相比的話，量子位元可以保存更多資訊量。一個量子位元除了0、1的狀態外，還包括其疊加態，因此至少需要兩個位元來描述：0為00、1為11、疊加態為01或是10。依此類推，兩個量子位元需要四個位元，三個量子位元需要八個位元，可以保存的資訊量以指數成長。
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量子位元的數目愈多，它所能「同時」攜帶的狀態訊息就愈多，因此，只要能同時使用夠多的量子位元，其運算能力就能遠遠超過世界上任何一臺傳統超級電腦，這個概念稱為「量子霸權」（quantum supremacy）。2018年的一篇模擬研究預估大概要50個量子位元才能達到量子霸權，不過具體要有多少量子位元才算並沒有定論。截至目前為止，美國的Intel、IBM、Google分別發表了49、127、72量子位元的系統，而中國則在2020年12月發表了76個量子位元的「九章」量子電腦，各國積極發展增加量子位元數，量子霸權成為新世代的強權代名詞。
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<h2>當一群量子位元互相心電感應的量子糾纏</h2>
一個量子位元能做的事情還是有限，要發揮量子電腦的威力，我們得有更多量子位元，並讓它們互相「糾纏」在一起，這個狀態稱作「量子糾纏」（quantum entangelement）。量子糾纏指的是量子位元之間的「心電感應」，意指不管量子位元們距離多遠，在適當條件下，它們就能彼此影響、互相「溝通」。
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硬幣來想像，2枚硬幣同時在桌上旋轉（都是「疊加態」）。在特殊條件下，這2枚硬幣之間會出現「心電感應」。如果我們碰了其中一枚硬幣，讓它立刻倒下來，那另外一枚硬幣不管距離多遠，也會立刻倒下來！不但如此，這2枚硬幣還一定會是同一面朝上！就好像這2枚硬幣之間互相糾纏在一起，因此稱作「量子糾纏」。
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真正的量子電腦需要讓一群量子位元一起進入「量子糾纏」的狀態，而維持這個狀態的時間則稱作「同調時間」（coherent time）。但這個狀態容易受到外界干擾而被破壞掉，且當量子位元數量愈多就愈難維持。「同調時間長短是量子電腦能不能實用化的關鍵！」果尚志教授表示。此外，「傳真度」（fidelity）則是另一個量子電腦能否實用化的指標，由於量子電腦容易受到雜訊的影響，導致計算結果有誤，因此傳真度愈高代表結果的正確性愈高。
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<h2>多元開發　掌握先機</h2>
量子位元的概念在數十年前就出現了，到了近幾年因為技術的突破，才開始如雨後春筍般多元發展。要製作出量子位元有幾種不同的方法，每一種方法都有它的優缺點。目前常用的技術包含為「超導迴路」（superconducting loops）、「離子陷阱」（trapped ions）、「量子點」（quantum dots）等。其他較為冷門的量子位元技術還包含「光子」（photonic）、「拓撲量子位元」（topological qubit）、「鑽石空缺」（diamond vacancies）等。
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「超導迴路」是Google、IBM主要開發的技術，亦是目前全世界的主流。與其他的方法相比，超導迴路有許多優點：讀取資料速度快，因此對同調時間的要求較低；體積較大，操作起來相對容易，且既有的技術較成熟，也更容易發展。整體說來，要發展出更多量子位元的系統相對容易。缺點是需要在極低溫（約數mK）下進行，不易普及，且同調時間非常短，只有50個微秒左右。
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國家實驗研究院台灣半導體研究中心的「Å 世代半導體-前瞻半導體及量子技術研發計畫」則選擇開發「矽量子點」（silicon quantum dots）量子位元，以半導體技術切入製作量子位元，也是Intel正在開發的技術。與超導迴路相比，這個方法的量子位元的傳真度更高，同調時間也更久，未來可能也更容易與其他半導體晶片整合。不過這個方法一樣需要低溫的環境（約數K），而且要讓多個量子位元進入量子糾纏的狀態困難許多，目前為止，全世界最多只能做到2個量子位元。
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「離子阱」也是量子位元經常選擇的方法，國際上有美國的IonQ和Honeywell。鴻海在2021年也成立了「離子阱實驗室」，選擇開發離子阱量子位元。離子阱量子位元非常穩定，雖然在低溫下效能更佳，但在室溫下也能運作。而且極度穩定，傳真度也非常高。然而，這個技術的運算速度比較慢，且系統較複雜，要擴充也比較困難。臺灣大學物理系林俊達教授目前正在研究離子阱量子位元的可擴充性。
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「光子」也可以作為量子位元的材料，主要的開發者是加拿大的Xanadu公司及美國的PsiQuantum公司。光子做成的量子位元完全能在室溫下運作，而且對於環境敏感度較低。不過用光子取代電子的傳統「光腦」已經有了數十年的研究，尚未成功開發出來，實現量子電腦就更加困難了。
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雖然臺灣近年來積極投入量子電腦相關技術開發，但臺灣目前要穩定製造出2個量子位元仍有困難，離Google、IBM等幾十、上百個量子位元還落後很長的一段距離。「目前臺灣的量子位元發展仍落後其他主要國家，像是美國、日本。嚴格說來我們的對手是全世界。」工研院電子與光電系統研究所吳志毅所長坦言，「可是現在不做的話，以後就更不可能出現了。當未來量子電腦真的發展起來的時候，臺灣不應該缺席。」
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（客座總編輯 |國立陽明交通大學電子物理系 張文豪教授、國立清華大學物理系 林秀豪教授；研究顧問團隊 | 中央研究院物理所 王明杰研究員、工研院電子與光電系統研究所 吳志毅所長、中央研究院資訊科學研究所 鐘楷閔教授、國立清華大學物理系 果尚志教授；責任編輯 | 段芊卉、葉于甄）

與古典電腦相比，量子電腦的運算能力不是單純提升，而是革命性地進展。