一個具有2種不同的狀態的量子系統，可以做線性疊加，也可以藉由外界控制，讓系統在這2個狀態間轉換，就能夠當作一個量子位元（qubit）。以超導技術為例，它利用了人造能階（energy level） 當作量子位元的基礎。如圖一所示，舉例來說，透過頻率等同於能階間距的微波與量子位元進行交互作用，使此量子位元於兩個能階間做擺動，稱為拉比震盪（Rabi oscillations）。振動期間此量子位元會以時變比例存在於兩個能階之間的疊加態，這是量子電動力學中光子與物質的交互作用的結果。
&nbsp;
[data-component=gallery]
&nbsp;
<h2>如何實作量子位元的0與1？</h2>
在超導電路中，建立量子位元0和1的核心是約瑟夫森接面（Josephson junction）。透過約瑟夫森效應，可以建立出人造能階。並透過改變不同超導電路參數與外加磁場，人造能階差便能受到控制。由於目前在20GHz頻率的微波，在技術、設備上都相對成熟，也因為種種物理因素，因此目前會將超導人造原子的能階差設定在約5GHz能量範圍，而這個能階差也決定了系統操作的溫度。5GHz約對應到250mK，這意味著如果系統的溫度是未遠低於250mK，環境本身的熱擾動就有相當的機會觸發量子位元狀態躍遷並造成量子同調性衰退，然而這並非是科學家們想達到的樣態。因此，系統必須運作在更低溫，例如10mK，以大幅降低熱擾動的影響，這也是為何超導電路的量子電腦都必須要運作在極低溫系統中。
&nbsp;
&nbsp;
<h2>超導電路量子電腦有哪些優點？</h2>
相較於其他技術發展較晚，超導電路於1960、70年代就已經誕生，到80年代，超導量子位元的核心（約瑟夫森接面）的特性也有較為透澈的研究；在操作量子位元的速度上，超導電路也具有其優勢。這背後的原因在於超導的人造原子具有較大的電偶極距（即較大的等效物理尺寸），因而與電磁波有較強的交互作用。相較之下，離子阱系統由於是利用真實離子作為量子系統，微小的物理尺寸導致與電磁波（雷射）間較弱的交互作用，最終導致較慢的量子態操作速度。一般而言，超導的量子位元的操作速度大概比離子阱系統快上1,000倍左右。
&nbsp;
雖然較大的等效物理尺寸，使超導量子位元的操作速度較快，但也導致超導量子位元更容易受到環境擾動影響。量子態是否容易受環境影響，可以用「量子同調」（Quantum decoherence）時間來判斷。同調時間愈長，代表量子態可以保持較久。從這個角度來看，離子阱系統則較有優勢，其同調時間大約也是超導的1,000倍。中央研究院物理所陳啟東教授提到，同調的時間長固然很好，但是其實要評估「在同調時間內，可以進行多少次量子位元操作」才比較有意義。在這點上，超導電路與離子阱系統可說是平分秋色。但若考慮實際應用層面，操作速度本身也很重要。因為同一個問題在不同系統中，可能使用到的邏輯閘操作數目差不多，操作速度快的系統還是具有優勢。
&nbsp;
&nbsp;
<h2>什麼是量子邏輯閘？</h2>
如圖（三）所示，量子位元的一個純態，可以由布洛赫球（Bloch Sphere）上的一點來表示。量子態的控制可以看成量子態繞布洛赫球的某一個軸旋轉，旋轉的速度與量子位元和電磁波交互作用的強度成正比。如果我們已經知道從0（北極）旋轉到1（南極）的操控時間，則一半的操控時間時，將使量子態從北極就會跑到赤道上。因此，藉由控制輸入電磁波的時間長度就能控制量子態旋轉的角度。在布洛赫球上，比較重要的是0、1以及代表疊加態的赤道上ABCD4個點。以上所述涉及到一個量子位元狀態的操縱，因此歸類於「單量子位元」（single qubit）邏輯閘。而雙量子位元邏輯閘則涉及兩個量子位元間的耦合，實做起來遠較單量子邏輯閘複雜，如何降低雙量子邏輯閘的誤差是目前開發量子電腦的重要研究主題，也是擴展量子電腦時，所必須具備的基本功。
&nbsp;
&nbsp;
<h2>增加量子位元會遇到那些問題？</h2>
量子電腦可以分成2個部分：量子晶片與次系統。和古典電腦相比，現階段超導量子位元沒辦法像電晶體縮到很小，大概會是數百個微米的尺度。這代表當我們增加量子位元時，晶片的尺寸也相對變大。對於常規尺寸的低溫系統而言，這將會造成問題。此外，在有限的晶片空間內，放入更多的量子位元，卻又不會影響位元的性能也是一大難題。如何在增加量子位元數同時優化其同調時間與串擾以提高量子邏輯閘保真度將是設計與製作的一大重點。次系統則是指除了量子晶片以外的控制讀取線路，它所面臨的問題包括：如何在兼顧溫控與串擾優化下進行合理佈線？如何實現分頻多工？如何解決常規高速電子儀器在設備擴展上所面臨的困難等。
&nbsp;
陳啟東教授提到：「所有的量子電腦系統都有很多棘手的問題，只是超導量子電腦中，它使用的是微波，然後需要在低溫下運行。我覺得這部分是有一些技術的挑戰，但不會是最後走不下去的原因。這些問題對於超導技術來說好一點，因為它可以搭到現有成熟技術的便車。晶片封裝的技術，半導體已經在前面幫我們做了，只是需要做一些調整。」
&nbsp;
此外，目前超導量子電腦，相鄰位元之間的溝通沒有問題，但是和非相鄰位元間的位元溝通，技術則還不太成熟。這意味著，我們如果想要對非相鄰的2個量子位元進行邏輯閘運算，必須倚靠2個位元中間的其他位元，將資訊以接力方式傳遞下去。這個問題在將演算法實作到硬體時，就需要考慮。如果涉及到距離十分遙遠的位元間的操作，可能會因此導致執行效率或是正確性上不盡人意。隨著量子位元的增加，非相鄰的量子位元也會增多，如何確保位元之間穩定的溝通，也是各大公司及研究機構在努力研究的方向。
&nbsp;
&nbsp;
<h2>展望臺灣未來的量子領域</h2>
2021年科技部、經濟部、中研院成立量子國家隊，希望在政府的大力支持下，加速臺灣在量子科技發展的腳步。中研院規劃在沙崙院區，成立量子科技研究基地，主要聚焦在：量子電腦、量子光學、量子材料等領域。量子電腦部分，主要以超導電路路線為發展方向，希望可以將量子電腦原型機做出來，並放上雲端供使用者使用；另一方面，鴻海集團於2021年12月成立了離子阱實驗室，希望在未來5年內，以離子阱技術，實作出5至10位元的量子電腦。
&nbsp;
&nbsp;
（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）

圖一：人造量子能階與微波和疊加態示意圖。

圖二：打開熱輻射遮罩的超導量子電腦。如蛋糕塔般的結構為可將溫度逐步降至10mK的稀釋冷凍機。肉眼可見的線路包括控制線路以及傳輸微波的同軸電纜。量子晶片則在裝置最底層的銅座上。

圖三：量子位元狀態可以透過布洛赫球上的向量表達，經由妥善的設計電磁波與量子位元交互作用，可以使量子狀態轉到球上的任何一個點，達到控制量子位元的目的。圖片來源／劉詠鯤繪製