量子電腦主要可以分為兩大類，量子退火（quantum annealing）與通用型量子電腦，這兩者之間主要差別在於「邏輯閘（logic gate）」的有無。前者不具邏輯閘，只用來解決特定的問題；後者則更接近於我們目前使用的古典電腦，可藉由各種邏輯閘的操作，來達到通用計算的目的。
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<h2>量子退火系統　解決單一問題正逐步落地</h2>
量子退火系統主要用於解決最佳化問題，其概念類似於要在一片凹凸起伏的地形中尋找最低點。古典的做法為沿著凹凸地形，將各種路徑都尋找一遍，嘗試找到最低的位置；而量子的世界，由於存在穿隧效應，可以如同走隧道般，以更快的速度找到最低點。目前被稱作量子退火的系統中，其實還可以分為兩類：一種是用古典電腦去模擬量子退火效應，這被稱為「受量子技術啟發」的退火系統。例如，日本富士通（Fujitsu）建立這樣的裝置並展開應用，與日本岩槻區郵局合作，用來解決物流配送的優化問題；另一種則是直接建造量子位元，進行量子退火的運算，最著名的公司為加拿大的D-Wave，目前擁有5,760顆量子位元的量子電腦，已和多家公司合作，嘗試應用在藥物開發、金融服務等領域。量子退火系統的發展、落地較為迅速，但是由於不具有邏輯閘，因此只能用在解決特定問題，若要達到通用計算的目標，則需要依靠通用量子電腦。
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<h2>通用量子電腦　量子位元技術亟待突破</h2>
要打造一臺通用量子電腦，首先需要找到一種物理系統，它的量子狀態可以代表0與1，且我們有能力對其狀態進行控制，能滿足此條件的系統選擇十分多元，已出現許多運用不同系統的通用量子電腦。目前較為主流的三種系統分別為：以超導體作為基礎的量子位元、離子阱技術、光學量子位元。其中，以超導量子位元技術較為成熟，全球著名的國際公司包括，IBM、Google、Rigetti等；離子阱技術是以IonQ、Quantinuum（Honeywell與Cambridge quantum共同成立之公司）為代表；光學量子則為加拿大公司Xanadu較為知名。目前是量子電腦高速發展的階段，每隔一段時間，便能在新聞上看見哪一家公司又創下了量子位元數目的新紀錄。然而，量子位元數目的增加，卻只是量子電腦發展的其中一環，還有其他重要的因素，共同決定了量子電腦能否真正的走入實際應用。
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「正確性」的因素亦是發展量子電腦中十分重要的一環，由於量子狀態本身極容易受環境的影響。因此在真實情況下，對量子位元的操作會產生一定的錯誤率。以目前Google的量子電腦為例，對1個位元的操作正確性大約是在99.9x％，2個位元的操作正確率約在99.6％。這個正確率看起來很高，但若進行100次的雙位元操作後，正確性便會下降剩約67％。依照這樣的正確率，放進實際應用上是遠遠不夠的。
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為了解決這個問題，目前各個團隊正在進行「量子糾錯」（quantum error correction, QEC）的研究，希望可以利用錯誤修正（error correction）的編碼方式，以數個量子位元來代表一個邏輯位元（logic qubit），對運算中發生的錯誤進行修正，避免錯誤不斷累積以至於計算失敗。根據理論的預估，如果位元操作的正確性要再提升一個數量級，並使用1,000個物理位元（physical qubit）組成一個邏輯位元，進行量子糾錯，那就有辦法使運算可以持續進行，不會被破壞。目前許多研發團隊如Google、IonQ、IBM、中國潘健偉教授團隊等，皆發表各自在量子糾錯方面的成果，但距離量子位元可以不斷修復錯誤、生生不息的狀態，還有很大的研發空間。
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除了上面提及的位元數目以及操作正確率外，量子電腦的使用穩定度亦是一大問題。成功大學陳岳男教授團隊，藉由設計一些在理論上已經有解的問題，放入IBM量子電腦中進行計算並與理論比較，發現在不同時間執行的結果會有差異，使用不同臺量子電腦的執行結果也不太一樣，這也顯示目前量子電腦的穩定度尚待提升，距離實際落地應用還有一段距離。
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<h2>迎來量子電腦時代　距離我們還有多遠？</h2>
量子電腦對於解決特定問題，遠超過古典電腦運算的能力，如大幅加速質因數分解計算的Shor演算法、進行資料搜尋的Grovers演算法等。但礙於現今量子電腦規模還太小，以上這些量子演算法速度在實際操作上仍遠落後於古典電腦。
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加州理工學院理論物理學教授John Preskil，在2018年提出了「嘈雜中等規模」（noisy intermediate-scale quantum, NISQ）量子電腦這個概念。其中「嘈雜」意味著量子位元還具有較高的不穩定性，而「中等規模」則指擁有數十至數百個量子位元。他認為，近10年內，世上所擁有的量子電腦很可能都處於這個階段，且還不具有可以持續進行錯誤修正的能力及足夠多的量子位元。陳岳男教授也點出其中趨勢，「我們必須在這個基礎下，尋找合適的研究問題、演算法，讓這樣的量子電腦也能發揮優勢。」
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其中一個可能的應用領域，是化學或是物理系統的模擬研究。由於這一類型的問題，參與交互作用的分子數目不算多，但彼此之間交互作用的量子效應是無法忽略，導致使用古典電腦進行計算或模擬會很困難，但若是使用量子電腦，「用量子電腦來模擬量子系統」，這便十分合理，在計算上具有優勢。陳岳男教授提到，變分量子特徵值求解算法VQE （variational quantum eigen Solver, VQE）是目前寄予厚望的演算法之一，用來解一個分子系統的基態能量，在量子化學模擬領域有著十分重要的應用可能，且隨著研究系統的規模漸大，有機會運用於化學反應、製藥等領域。
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<h2>可預見的未來裡　量子電腦會人人家中皆有嗎？</h2>
如果上述提到的技術問題，能逐一解決，是否量子電腦會像手機或是家用電腦一般人人皆有呢？儘管我們期待的是「通用型」量子電腦，但這並不表示它在任何工作上都比古典電腦來的有優勢。如上網、看影片等日常需求，古典電腦已非常擅長，並不需要以量子電腦取而代之。即便在其他專業領域的使用場景下，若能以結合古典電腦與量子電腦的混合式（hybrid）計算，讓量子電腦與古典電腦各有擅場，比起一個問題全部由量子電腦解決， 會來得更有效率。
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此外，由於環境中的熱騷動會破壞量子態，大多數量子電腦，要求部分元件或整個裝置運作在極低溫，如目前超導體的量子電腦，必須運作在10～20mK（-273.13℃），因此目前擁有量子電腦的機構或公司，則是藉由雲計算的方式，讓使用者可以線上操作。量子電腦的使用概念更像是古典超級電腦，而非一般家用電腦。
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目前各大雲端計算的龍頭公司，如Amazon AWS、Microsoft Azure、Google Cloud，除了自行發展量子電腦的技術，也都在其雲端計算平臺上，提供量子電腦的計算接口（Amazon Braket、Azure Quantum、Google Quantum Computing Service），整合不同硬體技術實作的量子電腦，提供使用者統一接口的雲端平臺。由於這些計算平臺本身已有成熟的古典電腦雲計算服務，待未來量子計算技術更成熟，混合式演算法便可以直接在平臺上執行，對於使用者來說，比起實際擁有一臺量子電腦，更具便利性。
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<h2>利基半導體能量　臺灣發展前景在哪裡？</h2>
臺灣在投入量子電腦領域時間，相較於其他大國起步較晚，而目前臺灣各團隊主要發展方向，在於將量子位元實作出來，且能穩定進行操控。由科技部、經濟部、中研院共同成立的量子國家隊，選定臺南沙崙科學園區，設立中研院量子科研基地，期望結合中研院的科研團隊，及未來科學園區在半導體研發能量，促進臺灣在量子電腦領域的發展。此外，成功大學也成立了「成大前沿量子科技研究中心」（QFort），這個中心屬於基礎研究導向，主要以前沿理論的累積及新穎量子科技開發為主軸。QFort主任陳岳男教授表示，「在跑到終點前，沒有人知道哪個技術會走到最後。」研究中心透過研發新技術、探索不同可能，讓技術在未來有機會進入產業。
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臺灣在量子科技發展中，並非從零開始，如超低溫技術的領域或是工程、電機等方面相關研發能量，已有許多研究成果，陳岳男教授認為，「現在應該積極培育人才，才具有發展的量能，並積累足夠的人才與技術，等待臺灣切入量子科技產業的最佳時機。」
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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）