2024年初，中央研究院發表了臺灣首部自主開發的 5 量子位元（qubit）超導量子電腦，象徵臺灣正式加入這場全球量子科技競賽。不過，臺灣的量子電腦發展並非只有單一路線。清華大學物理系褚志崧指出，他所帶領的團隊同年也成功研發出一套全光學式量子電腦，同樣具備 5 個量子位元。這套系統與超導架構最大不同，在於多數元件可在常溫下運作，省去極低溫冷卻系統的需求；此外，團隊不僅完成硬體建置，還實際執行了著名的 Shor 演算法，成功完成質因數分解任務，展現光學量子電腦在「量子應用程式」上的潛力。更關鍵的是，光學架構幾乎沒有「退相干」問題，使整體運算過程穩定性更高。
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究竟量子位元（qubit）和傳統位元（bit）的差異在哪裡？當我們試著擴充量子電腦的規模時，究竟遇到了哪些難題？本文特別邀請中央研究院物理研究所陳啟東教授，以及清華大學物理系禇志崧教授，共同解析量子電腦擴充的問題，並從國際與臺灣的最新研究成果，探討量子電腦的可能發展方向。
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臺灣正加速布局量子科技，自 2021 年起推動5年 80 億元的量子研發計畫。近期中央研究院成功研發並自製了5位元的量子晶片。
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<h2>什麼是 bit？什麼又是 qubit？</h2>
你每天打開手機、筆電、平板時，幕後其實有數十億個「位元」（bit）在無聲地運作。bit 是傳統電腦中最基本的資料單位，它的邏輯非常簡單：不是 0，就是 1。就像開關打開是「有電」（1），關閉是「沒電」（0）。所有照片、影片、遊戲，其實都是由大量的 0 與 1 組成。
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「這些 bit 是怎麼來的呢？」它們是由數十億顆電晶體組成的電路在控制。這些微型開關被製作在晶片上，一顆晶片能塞進數十億顆電晶體，靠的就是現在非常成熟的「互補式金氧半導體（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, CMOS）技術，也就是我們常說的 CMOS。
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那量子電腦為什麼不能也做出這麼多qubit？差別就在「物理規則」完全不同。
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bit 的世界是「古典物理學」，qubit 的世界則來自「量子力學」。qubit最神奇的地方，就是它能「同時」是 0 和 1，這個現象叫做「疊加態」（superposition）。更神奇的是，兩顆 qubit 還能互相影響，就算分開很遠，彼此的狀態依然有關聯，這叫做「量子糾纏」（quantum entanglement）。
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正因為這種「同時進行多種狀態」的能力，量子電腦在某些問題上具備一種近似「平行運算」的潛力。也因此，雖然 qubit 的數量看起來遠少於古典電腦的 bit，但它的運算方式本質上不同，無法單純用數量直接比較算力。
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陳啟東教授提醒，qubit 並不像古典位元可以直接觀察其狀態，而是必須透過反覆操作與機率統計，才能推估其行為。他表示：「當我們測量量子計算的結果時，其實只會得到 0 或 1的陣列。我們看到的是結果，但不是過程；而理解 qubit 的行為，則要從大量的實驗中歸納出它的特性與機率分布。」簡單來說，量子位元的行為可以透過機率來預測，但每次測量的結果仍是隨機的。我們無法事先確定 qubit 會呈現「0」或「1」，這種特性讓 qubit 的控制變得格外困難。
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這些技術雖然潛力巨大，但要做到穩定且大量擴充卻非常困難。為什麼不能直接做更多的 qubit 呢？我們接著來看看背後的難題。
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<h2>為什麼量子電腦不能「直接做更多 qubit」？</h2>
如果一顆 qubit 就像是一扇可以同時開著也關著的門，那麼多幾扇門、是不是代表更強的計算能力？這似乎合乎直覺，但現實卻沒這麼簡單。
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「量子電腦不是複製堆疊就能無限擴充的東西，它的難，是系統性的難。」陳啟東教授說。他解釋，相較於傳統電腦的 bit 可以用成熟的 CMOS 製程大量堆疊，qubit 要能穩定運作，條件遠比想像中嚴苛。「我們做出5顆 qubit 的系統，要讓它穩定操作，其實每一顆後面都有獨立的控制線路、微波設備和資料讀出系統。」
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這些 qubit 並不孤立存在。量子計算的威力，正來自 qubit 之間的「糾纏」與連動。但這種關聯同時也是風險來源。當系統內 qubit 數量增加，整體狀態空間會以指數級爆炸成長，從幾顆 qubit 的「幾十種可能」，瞬間變成「百萬種可能」以上的計算組合。這些組合彼此高度敏感，一點點雜訊，就可能導致整體計算錯誤。
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這就是為什麼要提到「退相干」（decoherence）現象。qubit 所處的量子態對外界的熱、磁場與震動極為敏感，只要一點干擾，就可能讓原本的疊加或糾纏狀態瞬間崩潰，變成無法再進行量子運算的「古典狀態」。這個問題，是量子電腦邁向實用化的第一道關卡。
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除了量子態本身難以維持，工程整合的挑戰也不容忽視。以中研院目前的 5 qubit 系統為例，每顆 qubit 都需要獨立控制與讀取訊號，包含微波產生器、數位轉類比器、低溫放大器與濾波設備等。這些設備體積不小，而且每一條控制線都會帶入微量熱源，對必須維持在 0.01K 的超低溫環境是一大負擔。
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「現在我們控制 2 顆 qubit，大概要一個控制櫃，5 顆就差不多是實驗室能容納的極限了。」陳啟東教授說。他補充，就算是像 IBM、Google 這樣擁有全球一流資源的企業，也不是用「堆疊設備」的方式來擴展 qubit，而是投入大量資源在控制電子學與模組設計上，希望做到真正可擴充的架構。
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另一個常被忽略的問題是 qubit 本身的良率與一致性。傳統晶片可以做到每個電晶體規格相同，但 qubit 每顆都是獨立製作，其頻率、雜訊特性與壽命可能差異甚大，需要額外調教與校正。「你可以把 qubit 想成一群脾氣不同的樂手，要同時演奏一首精密協奏曲，指揮系統必須完美對應每一位。」
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也就是說，並不是大家不想擴充 qubit，而是每多一顆 qubit，背後的控制系統、穩定條件、彼此干擾，都會變得更複雜。那現在，各國團隊是怎麼面對這些挑戰的？又有哪些具體的工程路線，正在被積極嘗試與突破？
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<h2>臺灣如何參與量子電腦的全球競賽？</h2>
量子電腦的全球研發競爭正快速升溫，各國科技巨頭紛紛挑戰量子位元（qubit）規模的極限。例如：IBM 的「Osprey」處理器在 2022 年已達到 433 個量子位元，並計劃在未來幾年內跨越千位元大關；Google 則透過 53 位元的「Sycamore」晶片，首次展示了所謂的「量子優越性」（quantum advantage）。此外，Intel 開發出能直接在極低溫環境中運作的微波控制晶片「Horse Ridge」，有效減輕量子系統的低溫負擔。但即便如此，國際團隊至今仍未真正克服擴充 qubit 帶來的複雜性與不穩定性，這也正是臺灣有機會切入的關鍵點。
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陳啟東教授認為，臺灣團隊雖然起步較晚，量子晶片製程的經驗相對不足，但這反而可能成為最大優勢。「國外團隊雖然發展較早，但他們現在面臨的瓶頸，正是臺灣最擅長的晶片製程與封裝技術。」他指出，儘管量子晶片的製作方式與傳統電腦晶片（CMOS 晶片）並不完全相同，許多製程技術如：奈米級微影、金屬堆疊、絕緣層沉積與先進封裝，都具備成熟基礎，只要稍作調整，就有機會應用於量子晶片的生產與整合，進一步突破量子位元擴充時所遇到的工程瓶頸。
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褚志崧教授補充，以光子 (photon) 實現量子位元是發展大規模量子電腦的另一種相當有潛力的方法。光子量子位元的優勢在於它們在大部分的情況下 (例如常溫) 幾乎沒有「退相干」，所以量子特性非常穩定。此外，我們也很容易以常見的光學元件操控光子量子位元，例如量子電腦需要的單量子位元邏輯閘 (single-qubit gate) 以雙折色晶體波片 (waveplate) 就可以實現。光子也有很多自由度可以提供資訊的編碼，例如偏振、時間、頻率、路徑等，而且資訊還可以在不同的自由度間快速轉換。近年來以光學技術開發量子電腦的PsiQuantum量子科技公司已募資超過200億台幣，顯示光學量子資訊處理的商業潛力。臺灣在光學量子晶片的製造和設計甚至還有機會結合在地半導體或矽光子的優勢。
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然而，要將這些半導體技術有效應用於量子晶片，仍需克服一些重大挑戰。陳教授進一步舉例：「量子晶片經常使用超導材料，例如鈮（niobium）或特殊絕緣層如氧化鋁（AlOx），更有一種關鍵元件是約瑟夫森接點（Josephson junction），能實現量子態的控制與讀取。然而這些材料和元件對製程品質要求極高，即便是極微小的製程瑕疵或材料不純，都可能造成量子狀態迅速崩解或錯誤頻繁出現。」
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因此，臺灣團隊目前正嘗試針對量子晶片所需的特殊材料與製程條件，發展調整用的技術與品質控管方法。這並不代表臺灣已有完整的量子晶片產線，而是希望在現有的半導體製程基礎上，找到合適的方式，讓這些特殊需求能逐步整合進來。這樣一來，未來若要進一步擴大量產，就不需要從頭打造一條全新的產線，而是能在現有架構下，更有效率地開發與製作量子晶片。
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<h2>從5顆 qubit 到10萬顆，量子電腦將改變什麼？</h2>
目前臺灣的量子電腦系統，雖然僅有 5 個 qubit，還處在研發初期，但這不只是一次技術實驗，更是為未來可能性打下基礎的一步。
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這樣的量子電腦，不只是運算速度變快而已，而是能處理目前所有傳統電腦都無法勝任的任務。褚志崧教授表示：「它能在幾分鐘內破解當前最安全的加密演算法，顛覆全球資訊安全的根本假設；也能模擬藥物與材料中的量子行為，加速癌症治療藥物或高效率電池的開發。它可以優化複雜系統，讓城市交通、電網調度與物流安排，變得前所未有地精準與節能；甚至能重塑人工智慧的基礎，讓機器學習的效率與能力再次進化。」
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這些突破將不再是遠方的科幻想像，而可能是下個10年內科技世界真正的轉捩點。對臺灣而言，今天的量子晶片製程實驗、低溫控制設備建置與跨領域人才培育，就是未來那臺「真正能用的量子電腦」的起點。正如陳啟東教授所言：「這是一條長路，但我們已經開始走了。」
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（客座總編輯｜清華大學物理系 林秀豪特聘教授 、東海大學物理系 施奇廷教授；研究顧問團隊｜中研院物理所 陳啟東教授、清華大學物理系 禇志崧教授；責任編輯｜曹盛威、趙筱文）