從半導體到量子科技

文／謝璦竹
圖片提供／吳健鑫

人工智慧（AI）愈來愈聰明，可以代替人類做很多工作，如果你覺得聊天軟體ChatGPT已經非常驚豔，那麼量子電腦與量子科技將徹底推翻你對電腦的想像：被喻為「一股自然力量」的量子電腦，可以解決傳統電腦就算花上萬年都解不了的難題。

科學界表示，從傳統電腦到量子電腦，代表著科技的典範轉移。IBM的量子電腦已經賣出了好幾台。第一個購買IBM量子電腦技術的私營機構是克里夫蘭醫學中心（Cleveland Clinic），IBM將在中心內替克里夫蘭建造名為「探索加速器」的量子電腦，用來研發新藥或疫苗。

中國大陸則在量子保密通訊上有突破性發展，已發射墨子號衛星，可進行量子密鑰分發。由於量子糾纏的特性，量子通訊不可能被駭客破解。

量子力學基礎教育上路

在各界疾呼下，科技部（後改制為國科會）、經濟部、中研院已共同成立量子國家隊，選定台南沙崙科學園區，設立中研院量子科研基地。

台北市教育局也開發出第一套專為高中職學生設計的量子電腦教材，分為數學、物理及資訊3大篇章，台大物理系特聘教授、前台大IBM量子電腦中心主任張慶瑞，以及淡江大學管理科學系助理教授吳健鑫等學界專家參與編撰。

量子電腦為何威力如此強大？目前世界上的超級電腦，不管算力多強，其運算基本上是線性的，也就是要一個一個計算；如果要加快速度或增加處理內容，電腦就會愈來愈大台，需要極大的空間來置放，耗電也非常驚人，甚至可能需要一座電廠來供應。

更嚴峻的是，半導體的摩爾定律已經逼近極限，積體電路上擺放的電晶體數量很難無限增加下去。而無限奈米化的結果，宏觀世界的物理原則也將不再適用，而進入到微觀物理的量子力學領域。

什麼是量子　量子糾纏與量子疊加

在我們生活的宏觀世界中，物理原則是清晰的機械因果論，完全按照牛頓力學運動，然而，當深入探究分子、甚至原子內部的運動時，卻發現牛頓力學不再適用，例如，原子核外圍的電子運行，完全無法預測，而有所謂「海森堡測不準原理」。

電子並不是像行星繞行恆星那樣，以一定的規律圍繞原子核，相反地，物理學家發現，電子在原子核外的軌域中以機率波出現，其位置與動量無法同時確定。對此不能被客觀測量的結果，相對論作者愛因斯坦一度難以接受，曾評論：「上帝不會擲骰子。」

量子力學今日已確立為一個嶄新學門，且以量子力學為基礎的相關應用也漸漸萌芽，包括量子電腦與量子通訊等，量子力學的時代重磅降臨。

什麼是量子？張慶瑞說，中文將quantum翻譯為量子，很多人可能會誤以為量子是一種粒子，其實量子指的是「能階」。

在宏觀世界的物理現象，皆為連續的變化，例如溫度是逐漸上升的，速度也是逐漸加速的。但在微觀世界，則是不連續的，「就像樓梯與滑坡的不同，微觀世界中，能量的狀態是不連續的，是由一小塊、一小塊能量共同組成的，而這個最小且不能分割的能量狀態，就是量子。」張慶瑞說。

量子電腦與量子科技已經成為未來科技霸權的關鍵，世界各大國無不以國家的力量全力支持。世界領袖教育和平基金會社青團科技聯誼會也與中華系統性創新學會合作，協辦數場量子電腦線上講座，首場即由吳健鑫主講，報名人數超過90人，參與者不乏大學教授、醫生等知識愛好者。

吳健鑫說明，傳統電腦位元是0與1的組合，分別代表（閥、繼電器或電晶體等的）關閉與開啟。由此來組合所有的數字，例如2就是10，3就是11，4就是100，以此類推，所有電腦的應用程式的運作也都是由1與0的位元組合來構成。當數字變大或處理的對象變複雜時，位元數就會陡然增加，例如500成了111110100。

量子電腦則不同，它是利用原子或分子的量子態來運作，因此量子位元（qubit）不是1或0，而是1與0的概率組合。就好像丟硬幣，傳統電腦不是正面（1，代表開啟）就是反面（0，代表關閉），而量子電腦則是丟硬幣的過程，即硬幣尚未落地前，還在空中翻轉時，在1與0之間的各種機率組合，稱為量子的疊加態。

量子位元示意圖。

可以把1與0想像成地球的北極與南極，量子位元則是用1與0的機率組合代表的整個球面，這種表示法稱為布洛赫球面。因為是球面，量子位元可以更有效地保存更多訊息，這種不確定性反而可以加快找到「最佳解」，因為它無須循序嘗試迷宮裡每條路徑，而是高效率地、平行地同時沿著每條路徑搜尋。

量子位元之所以可以有如一張網一般、平行地同時沿著每條路徑搜索，便是因為量子的疊加態。

測量會導致量子疊加態崩塌

根據量子力學，所有微觀粒子的位置都是隨機的，這究竟該如何來理解呢？物理學家推想，若將微觀粒子想像成波，就很容易理解量子疊加。這條波瀰漫整個宇宙空間，但並不是均勻分布的。波上有個波包，波包出現時，就會被觀測到粒子。

量子力學對我們所生存的世界最震驚的發現是：測量時所進行的觀察導致了量子態的崩塌，形成測量儀器或肉眼所見的世界。那麼崩塌前呢？

被譽為中國量子之父的潘建偉說，量子力學微觀世界的客體狀態，若我們睜開眼睛看一看，會造成影響，而且沒辦法消除，意思是觀測者的行為會影響體系的演化。

他舉搭飛機的例子，即使搭機時睡著了，還有機長在開飛機，即使機長也睡著了，還有塔台在監視飛機，也就是說，總是有一台儀器在觀測這架飛機。但空氣中的氧分子、水分子，因為逃脫人類的觀察，即使在燈光照射下，但與光沒有相互作用，因此就處於量子疊加態。

量子力學理論建立之初，物理學家試圖用儀器發射某些粒子來探測被測量的電子，導致受測電子原先的疊加態被干擾而消失，因此無法找到電子繞行位置的規律，這便是測量塌縮效應造成的。上帝並沒有擲骰子，而是人類無法僅憑實證主義來測量世界。

因此，量子電腦的運作必須徹底隔絕人類的干擾，否則就會讓量子位元從疊加態抖開。與此同時，又必須對電腦下指令，並從中得到答案，這就是當前量子電腦的挑戰。

量子科技應用廣泛

目前，維持疊加態的嘗試包括將量子晶片維持在絕對零度（零下273˚C），這需要低溫超導體，或是利用量子點、囚禁離子、鑽石空缺等。台灣在這些元件的製造或材料方面，業界不乏已提前布局者。

半導體技術利用的是量子的穿隧效應，台灣是否能運用半導體領域的實力，投入量子科技發展？

對此，張慶瑞表示，「量子電腦需要在低溫環境，但半導體到了低溫就是絕緣體，所有功能都會消失。」因此，從半導體到量子科技，可能需要另闢蹊徑。

在量子點的發展上，中研院與國立臺灣大學管希聖教授合作，成功解決矽基量子點量子原件中的雜訊以及參數不準等問題，降低了量子邏輯閘的誤差，取得重要學術突破。另外，鴻海也成立研究院，致力於囚禁離子的研究與發展。

除了量子電腦，量子通訊也勢必顛覆世界的發展，中國大陸的墨子號是世界上首個量子衛星，成功運用量子隱形傳態實現星地量子密鑰分發。

這是利用量子糾纏的特性。處於糾纏態的兩個粒子，無論兩者相距多遠，只要糾纏態不破壞，若對其中的一個粒子進行量測，例如，一個粒子經觀察後若是自旋向上，另一個必然是自旋向下。

科學界利用這種糾纏態來做通訊密碼，其原理是發送處於量子疊加態的光子，因此一旦被攔截讀取，疊加態即塌縮，因此不可能被破解，也不可能秘密進行攔截，而會被立即發現。