作者：林咏毅
編輯：黃俊銓｜量子線上學院特約編輯 (臺灣大學化學系)
審閱：鄭原忠 ｜臺灣大學化學系教授
1. 前言
為了發展出比傳統電腦更強大的計算系統，近年各國投入大量經費研究開發量⼦電腦(quantum computer)，⽽其背後的核心技術，便是利⽤量⼦位元(quantum bit，簡稱qubit) 的量子特性，來實現比傳統電腦更強大的運算能力。本⽂將透過分析量⼦位元背後的物理原理，帶大家認識不同種類的量⼦位元。
2. 位元？量⼦位元？
位元(bit) 是傳統電腦中最簡單的資訊單位，以⼆進位形式記錄資訊 。位元僅是⼀個概念，可以用任何擁有兩種狀態之系統實現，例如：CPU中之電位高低、硬碟上的磁場⽅向、記憶體中電荷的電性等。
在量⼦電腦中，量⼦位元亦是計量資訊的單位；不同的是，量⼦位元具有量⼦疊加 (quantum superposition) 的特性，相較於⼀個位元僅能存在0或1的狀態，⼀個量⼦位元可以處於0和1兩種狀態同時存在的「量子疊加態」。那麼，量⼦位元的本質到底是什麼呢？在物理學上，其實有許多系統可以做為量⼦位元，而目前最受到關注的系統有超導體、震動激發態、電⼦的⾃旋、光的偏振態等。這些作為量⼦位元的物理系統都有⼀個共同點：此系統必須具有兩種特定的狀態，且能利用實驗的方法控制其中的量子態。接下來將逐⼀介紹這幾種物理系統，並說明它們各自所對應的量⼦位元技術。
3. 超導體約瑟芬接面
將兩個超導體靠得很近但不接觸的時候，會形成所謂的約瑟芬接面(Josephson junction)，由約瑟芬接面構成的電路中的超導電流會顯現出量子效應，而產生的震動電流之量子態就可以被用為量子位元系統，形成所謂的「超導量子位元」[1]。有別於其他需要在原子或奈米尺度實現的量子位元技術，超導量子位元可以在大約一釐米(1 mm)的尺度還可以維持良好的量子效應，因此這類型的系統也被稱為呈現「巨觀量子現象」的體系。
超導量子位元的運作需要維持超導體的特性，也因此需要在非常低溫接近0K的環境下才能運作，而維持低溫環境以及在低溫環境下的控制與量測技術對於此類量子位元的發展也就變得特別的重要。超導量子位元在D-Wave、IBM、Google等商業公司的大力發展下，已經成為目前技術最先進的量子位元系統，也已經建立起商業雲端服務的計算市場。
4. 振動激發態
在⾼中化學我們學到，量子系統具有能階，若存在一個位能阱，其中的粒子也存在不同能階，若是我們可以設計一個使粒⼦只在位能阱中的兩個特定能階間躍遷的系統，就可以實現一個量⼦位元系統。此類系統可以使用被限制在位能阱中的離子或冷原子來達成。
離⼦阱(ion trap)是利⽤電荷與電磁場間的交互作⽤⼒來牽制帶電粒⼦的運動，以達到將其侷限在某個⼩範圍內的⽬的[2]。被限制在位能阱中的離子有了特定的能接，接著利⽤雷射光場，使離⼦精準地在兩特定能階躍遷，形成離⼦阱量子位元系統。值得注意的是，離⼦阱技術雖不需在接近0K下進⾏， 但仍需要在低溫環境中進⾏才能達最佳效果。此外，除了低溫環境以外，為了避免與其他粒子的碰撞而破壞量子態，離⼦阱量子位元必須處在真空狀態，也由於離⼦阱技術涉及多方層⾯的整合，因此相較於超導量子位元，離⼦阱量子位元系統製作上較為複雜 [3]。
5. 電⼦⾃旋態
在⾼中我們學過，電⼦具有兩種⾃旋量⼦數(spin quantum number) ，分別為 ＋½ 和 －½ ，此結果是根據斯特恩與格拉赫的實驗(Stern-Gerlach experiment) 所得出。實驗中，兩⼈將銀原⼦加熱⾄約1000°C後射入⼀非均勻磁場，因為銀原⼦最外層之5s軌域的電⼦⾃旋不同會形成不同的磁偶極矩，因此兩種不同狀態之銀原⼦在磁場中會分裂出不同的軌跡[4][5]，也就是我們今天所知的上旋與下旋電子態。
在量⼦系統中，量⼦狀態是由其所有特定狀態以不同的比率疊加⽽成，也就是所謂的疊加態 (superposition state) 。電⼦為上旋和下旋的狀態，可以分別代表量⼦位元中的0和1。透過電子的這項特性，科學家們得以透過半導體中的電子自旋實現量子位元技術，發展所謂的「半導體量⼦點」量子電腦。
半導體量⼦點是⽤半導體材料製造產⽣，將電⼦侷限在某⼀⼩範圍內的⼈⼯結構技術。量⼦點技術能以電⼦⾃旋的疊加態為基礎，進行量⼦位元的運算。雖然量⼦位元的尺⼨通常控制在100nm以下，製作上並不困難，但⽬前的實驗技術還難以實現三個以上的量⼦位元計算。
6. 光子偏振態
由電磁理論 (electromagnetic theory) 可知，任何非偏極光都可分解為兩個彼此垂直的偏振電場的疊加。而利⽤偏極板或是布魯斯特⾓(Brewsterʼs angle)，可從非偏極光分離出特定偏振⽅向的偏極光，此種經過極化的光線具有兩種特定狀態，分別為與偏振片⽅向平⾏或與偏振片⽅向垂直，因此光亦可作為實現量⼦位元的物理系統。相較於⼤部分量⼦位元需在很低溫，接近 0 K下才能保留量子的特性，以⾃然存在的光偏振態作為量⼦位元較能在室溫下穩定存在並進行計算[6]，因此光量子電腦具有較⾼的能源效益。
⽬前，量⼦位元的發展仍有許多問題有待克服，如：如何維持量⼦位元疊加態的穩定性？如何將更多的量子位元連結在一起進行計算？等等。因為⼤部分的量⼦位元容易受溫度變化等外在因素⼲擾，進而影響運算的準確性，因此量子位元的優化常涉及複雜技術的發展。倘若相關科技有所突破，未來在資料加密、演算法、機器學習、人工智慧等⽅⾯，量⼦位元都將為我們帶來更多可能性。
資料來源
- “Superconducting quantum computing”
https://en.wikipedia.org/wiki/Superconducting_quantum_computing - “離子阱中的0與1”
http://ir.ncue.edu.tw/ir/bitstream/987654321/14837/1/2020200110014.pdf - “TQD Exclusive: A Detailed Review of Qubit Implementations for Quantum Computing.”
https://thequantumdaily.com/2020/05/21/tqd-exclusive-a-detailed-review-of-qubit-implementations-for-quantum-computing - “斯特恩—革拉赫實驗其人其事.”
https://pb.ps-taiwan.org/modules/news/article.php?storyid=158 - “Stern — Gerlach experiment.”
http://www.astronomycast.com/2015/05/ep-374-stern-gerlach-experiment/ - “敲開量子世界大門的雷射”
http://www.laserfest60.org.tw/post/2
