量子信息的近程和遠景(一)：量子電腦的各種實現方法

量子信息最近的研究高潮迭起，先是有Bravyi et al於《Science》(註1)證明量子演算法的優異性，接著Wehner et al也於《Science》(註2)預想了量子信息自最近的量子密鑰配送(Quantum Key Distribution；QKD)至最終極的目標－量子計算－的6個步驟，科學界和產業界似乎都齊頭大步開展研究的步伐。

這些發展的歷程每個階段需要克服的技術困難各異，但是全都與所採取的量子信息基礎單元－量子位元(qubit)－有關。量子位元的構成物質基本上分兩類：超導體與半導體。超導體是在極低溫下超導的金屬，它的量子位元可以用其電流、相位或磁通量(flux)表示。

與半導體相關的量子位元可以是光子或帶電粒子：光子可以用其自旋、極化(polarization)或其路徑表達量子位元。由於光子的產生是由量子點或半導體雷射，因此光子也被歸類在廣泛的半導體範疇。帶電粒子可以是電子、離子、原子等物質，一般的選擇是以帶電粒子的自旋來表達量子位元，但也有其他的方法構成量子位元，譬如微軟(Microsoft)用準粒子(quasi-particle)任意子(anyon)來構成量子位元。

量子計算就是用量子閘極(quantum gate)、量子記憶體(quantum memory)對這些量子位元施加的運作、儲存，主要是使各量子位元間產生干涉(interference)或糾纏(entanglement)。

最早發展的量子位元是捕獲離子(trapped ion)，是無線電頻率陷阱捕獲離子、用雷射控制離子集體行動來操作量子運算。它較穩定，量子閘極的保真度(fidelity)最高，能同時糾纏的量子位元也最多；但是運算速度慢，也需要額外的雷射來操作。

超導體的量子位元運算速度快，也可以加諸於現在半導體技術之上；但它的量子態容易崩潰(collapse)，因此需要維持極低溫的環境。現在達到「量子霸權」起碼量子位元數的幾家公司－譬如Google與IBM－的量子電腦都是用超導體的技術。

量子點的量子狀態還算穩定，它的最大好處是建立於現在的半導體技術之上，因此它的可擴展性(scalability)－量子位元可以大量製造－最高。這個是半導體業最想看到的方法，英特爾(Intel)就是採取這方法，這也與台灣的核心能力較接近。但是量子點目前只有辦法做到2個量子位元的量子糾纏，也需要在極低溫下運作。

任意子是在半導體上通道上因電子路徑編辮(braiding)形成的準粒子，與目前時興的許多拓樸物質相似，這個準粒子的存在受拓樸保護，所以這準粒子的退相干時間(decoherence time)－維持量子態間相干的時間－比較長，相對穩定。這是微軟近年才展示的新量子位元型態，發展還有待迎頭趕上。

奈米鑽石(nano diamond)中的氮空缺(nitrogen vacancy)利用氮原子中的電子和電洞所形成的能階來當成量子位元，它的量子狀態非常穩定，可以在室溫下操作。但是它和其他種類的量子位元都面臨一個共同的兩難問題：穩定的不容易操作，容易操作的不穩定、退相干時間短。奈米鑽石氮空缺所做的量子位元由於碳分子將量子位元周遭的噪音隔絕的太好了，使得要讓量子位元之間糾纏也很不容易。

這些不同材質的量子位元技術發展現在正各自發展，共同的基礎是半導體技術，連表面上離半導體最遠的超導體方法，也叫做circuit-based superconductivity，與台灣的核心能力密切相關，也是台灣可以入手著力之處。

這些量子位元有的運算比較快，有的退相干時間比較長，性質好似光譜一字排開。從傳統半導體學到的經驗是有些量子位元可以當成CPU中的cache，有些可以當成DRAM，還有些可以當成NAND，形成類似現今半導體的記憶儲存體制，所以在可見的未來，以各種量子位元形成混搭的量子電腦也是可以預期的！

註1：“Quantum advantage with shallow circuits”, Sergey Bravyi, David Gosset, Robert Konig, Science 362, 308 (2018)

註2：“Quantum internet：A vision for the road ahead”, Stephanie Wehner, David Elkouss, Ronald Hanson Science 362, 303 (2018).