提前進場的新技術－量子記憶體與量子閘

一個傳統的位元只有兩種狀態：0與1。量子位元中也有兩種狀態，譬如在以電子自旋為資訊的元件中，自旋可以朝上，也可以朝下。一個完整的量子位元(quantum bit；qbit)是這兩種狀態線性疊加(linear superposition)的量子狀態，這就像是科普書中薛汀格的貓(Schrödinger’s cat; 註1)，有機會是死的，也有機會是活的，不觀測前狀態就是有死有活。

用數學式來表示，量子位元是兩個狀態各乘以一個複數的線性組合，受限於量子狀態總機率為1的條件。一個複數有2個維度(dimension)，兩個複數就有4個維度，扣掉受限的條件減去一個維度，一個量子位元的狀態可能是3維球面上的任一點。傳統的位元如果放在這3維球面上，它只能是南極或北極之中的一點，所以一個量子位元攜帶的資訊含量遠較傳統位元多。

量子位元之間還可以經過物理作用(spooky action，Einstein的用詞)而互相關聯，術語叫做量子糾纏(quantum entanglement)－這也是量子傳輸與量子加密的基本原理－兩個量子位元在經過作用後各自被觀測，其觀測結果呈現特定的相關(correlation)。

譬如一對電子透過物理機制使其自旋量子糾纏後各奔東西，之後如果其中一個電子的自旋被測量為自旋朝上，則另一個電子－不論相距多遠－的自旋必然朝下。量子糾纏是傳統位元完全不具有的特性。由於量子位元攜帶的資訊量以及之間的量子糾纏，以量子位元為基礎的量子計算在特定的領域比以傳統位元為基礎的計算有可觀的優勢，有時候優勢可以達到指數式的加速。

量子位元需要先經物理程序的準備，用以讀、寫、儲存量子位元的元件就是量子記憶體(quantum RAM)。用以處理這些量子位元資料的元件就是量子閘(quantum gate)，主要的作用是把一個量子狀態轉換成另一個量子狀態，像是將在3維球面上的一點移到另一點。量子閘可以處理一個量子位元，也可以同時處理兩個量子位元，像傳統位元的邏輯閘一樣。

量子狀態保存不易，過去必須依賴極低溫的環境保存。看D-Wave 2000幾公尺長寬高的機體，其實大部份空間都是用來維持0.015K低溫的設備。但是最近的進展令人振奮，用離子化供體(ionized donor)磷31植入矽晶的元件已可在室溫下維持量子狀態達39分鐘，這比完成一個量子計算所需的100ns彷彿是世紀之長。另外使用碳奈米球(carbon nanosphere)、量子點等更容易量產的元件當成量子記憶體，在室溫下維持量子狀態的時間也越來越長。最重要的是，這些製造量子記憶體或量子閘的方式都與現有的半導體製造生產技術相容。

在幾年前，量子計算還是明日科技，應用都偏向像質因數分解、蛋白質折疊、量子現象等比較學術導向的問題。Google雖然參與了2013年和NASA的D-Wave 2000測試計畫，但是當時鄭重否認要購買，現在Google要自己製造量子電腦了！（註2）量子電腦由於在機器學習領域可能發揮的潛力，整個時程被大幅拉進，這也是科技部要將之列入《前瞻晶片系統及半導體設計計畫》的原因。

註1：薛汀格的貓是量子物理奠基人之一的物理學家薛汀格（1887-1961）所提出的思想實驗，假設把1隻貓、1個毒氣瓶和氰化氫的玻璃燒瓶和放射性物質放進封閉的盒子裏，每當放射性原子衰變後就會釋放毒氣，在一時間內衰變則會有個機率值，根據量子理論，在打開盒蓋前，貓會同時處於活與死兩種重疊狀態中，直到有人打開盒蓋觀測了才知死活。此思想實驗被廣泛引用作為詮釋量子力學的經典案例。

註2：Google於2015年便發表9量子位元的量子運算晶片，Google近期目標是希望在2017年年底前便可製作出採用超導線路技術晶片，可達49量子位元的量子電腦，此時量子電腦對特定題目的運算能力便可望超越現今的超級電腦，實現所謂的量子霸權(quantum supremacy)。