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由清華大學物理系教授褚志崧領導的團隊，成功開發出世界上最小的量子電腦。此電腦僅使用單一光子（photon）即可執行複雜的量子運算，成功實現32維度的單光子量子運算，開創了量子計算的嶄新方向。這項研究發表於今（2024）年9月的《物理評論》（Physical Review Applied）期刊。傳統的量子位元（qubit）能在0和1之間進行「量子疊加」，讓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。但其實，備受期待的量子電腦面臨許多挑戰，像是必須在極低溫下運作，不僅耗能且成本高昂；或是量子態容易受到振動或電磁場的干擾，導致資訊遺失、計算錯誤等問題。

褚志崧團隊開發的技術使單一光子可以在32維空間中儲存和處理資訊，大幅提升了量子運算的效率和複雜度。這項技術改變傳統量子計算的思維方式，不同於其他研究團隊追求增加光子數量，清華團隊選擇專注於提升單一光子的資訊儲存容量。這種方法不僅簡化系統複雜度，更克服多光子系統中光子同時控制的困難。

但什麼是32維空間？我們知道一維是一條線；二維以長、寬成一平面；三維則是長、寬、高的立體；而32維儲存資訊的技術，宛如「多重宇宙」。有32維儲存空間的光子，就像是把一輛只能載一個人的腳踏車，改造成一列連結32節車廂的火車，就能載運更多的乘客。

與現有量子計算系統相比，這項新技術具有多項顯著優勢。首先是可在室溫下運作，無需極低溫環境，大幅降低運營成本和能源消耗。其次，整個系統僅需一個小型設備箱的空間。此外，光子的量子態較為穩定，不易受外界干擾影響，且可與現有的矽光子技術和傳統計算系統完美整合。研究團隊已經成功展示這套系統的實際運算能力，包括完成複雜的質因數分解運算（例如15=5×3）。這類運算對於密碼學和資料安全具有重要意義，並展現該系統在實際應用中的潛力。

這項技術的發展使小型化量子計算成為可能，且加速個人量子計算設備的發展。此技術也可以與目前的矽光子技術結合，並且與古典電腦整合，再加上結合臺灣在半導體製造的優勢，有望推動臺灣在量子計算領域建立領先地位。接下來，團隊將嘗試提升單一光子的資訊儲存容量，以實現更複雜的量子運算，期望為未來量子計算的發展提供新的可能性。

新聞來源
清華大學秘書處（2024年10月16日）。清華大學用一顆光子造出全世界最小量子電腦。國立清華大學。https://www.nthu.edu.tw/hotNews/content/1194