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- 617期－量子革命再起！量子資訊（5月號）
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2021-05-01用光子打造量子電腦！
617 期
Author 作者
吳建明、李瑞光
備受各界期待的量子電腦，是利用量子世界裡獨一無二的性質，包含量子疊加（superposition）和量子糾纏（entanglement）等技術進行量子計算的機器。如今，量子計算已在各種物理系統裡實現，且有50個以上的量子位元可以操作。讓那些傳統電腦無法執行，或動輒要耗時數百千年以上的計算工作，不再是遙不可及的任務。
但是，量子系統通常有著脆弱性、不易擴展、難以操控等問題。舉例來說，超導迴路（superconducting loops）需要使用價格昂貴又耗能的稀釋冷凍機，將環境降到超低溫才能運作；而離子阱（ion trap）需要使用雷射冷卻技術與高真空環境，導致位元數目不容易增加。因此，要實現大規模的量子運算，以及通用型的量子電腦仍然是個非常艱難的挑戰。
試試看利用光吧！光子厲害的地方
光子是我們每天眼睛張開都會接觸的粒子，它有著各種豐富的狀態，尤其光子的量子性質具有獨特且利於進行量子運算的特徵。首先，光子與周圍環境的交互作用非常微弱，在一般空間中不會互相干擾，因此可以在室溫與大氣環境下工作。其次，光子是量子通訊的最佳訊息載體，不僅能以最快的速度傳播，並且擁有很大的工作頻寬。
再者，光子具有很長的同調時間（coherence time），在運算操作中容易保持量子狀態，也就是具有高保真度（fidelity）。此外，光子還可以使用先進的半導體製程技術，將運算所需的光路集成在半導體晶片上。上述這些優勢都展現出光子是個優秀的量子計算候選者。
用光子進行量子計算可概分為兩種方式，一種是使用粒子離散特性的量子位元，另一種則是波動連續變化特性的連續變量（continuous-variable）。以下將分別介紹這兩種方法（圖一）。
圖一:光子量子位元與連續變量示意圖
圖左為離散的量子位元，使用單顆光子來攜帶訊息；而圖右則為連續變量，使用光的波動特性，以連續變化的振幅與相位來傳遞訊息，在相空間上以一個圓來示意光場的不確定性質（uncertainty）。
利用粒子性質的量子位元
在傳統的古典電腦中，數位訊息處理的基本單位是位元（bit），採用「0」或「1」兩個值其中之一。操作位元的基本單位稱為邏輯閘（logic gate），邏輯閘根據給定的規則，能將輸入位元轉換為期望的輸出位元。一般來說，透過一個單位元的「反閘」（NOT gate）和一個雙位元的「與閘」（AND gate），可組成任意的邏輯運算。……【更多內容科學月刊第617期】