「全球最小量子電腦」誕生 清大用一顆光子打造

量子電腦新紀元！清華大學物理系、前瞻量子科技研究中心教授禇志崧領導的研究團隊今天（10/15）宣布，研發出全世界最小的量子電腦，僅使用一顆光子，這也是台灣研發出的第一套光學量子電腦。

褚志崧團隊以在一條環狀光纖內跑動、只有一顆光子的光量子電腦來完成質因數分解等複雜的數學運算，如15=5x3。這是全世界首次以一顆高維度、也就是多次元的光子來實現量子演算法。褚志崧團隊已將這項領先全球的突破發表在上個月的《物理評論》期刊（Physical Review Applied）。


清華大學校長高為元說，他去年才參觀過美國最先進的量子電腦實驗室，印象最深刻就是龐大的冷卻系統，將溫度控制在攝氏零下273度，設備也占去一個大房間；清大今天發表的光量子電腦卻可在室溫下操作，且設備只有一個盒子大。

褚志崧表示，光子（Photon）是傳遞電磁作用的基本粒子，為了讓一顆光子攜帶更多的資訊，團隊成功研發出可在一個光子的32維空間裡儲存資訊的技術，宛如「多重宇宙」。眾所周知，1維是一條線；2維以長、寬成一平面；3維則是長、寬、高的立體。而褚志崧打造出的這顆光子，則有32維空間來儲存資訊，也就是32次元，打破了世界紀錄。

禇志崧比喻，有32維儲存空間的光子，就像是把一台只能載一個人的腳踏車，改造成一台連結32節列車的火車，就能載運更多的乘客。

褚志崧說，一般電腦用電在電路板上傳輸來進行運算；光量子電腦則是用光來傳輸資料，並透過量子力學來進行運算。褚志崧解釋，不同於傳統電腦的位元（bit）只能代表0或1，量子電腦的量子位元（qubit）可以同時處於0和1，這種特性稱為「量子疊加」，使量子電腦在處理質因數分解、大數據搜尋等複雜運算時，速度可比傳統電腦快數億倍。


褚志崧指出，國外發展的光量子電腦最多可達到數百顆光子，但光子為機率性出現，「這秒還有，下一秒就消失了」很難控制讓多顆光子同時出現。褚志崧改變思路，「何不專注在把所有資訊都壓縮在一顆光子上？」團隊接下來的目標是持續挑戰並提升單一光子的儲存容量，讓一顆光子能夠容納更多的資訊，實現更複雜的量子運算。

褚志崧提到，量子電腦的發展有2大挑戰，首先是電子及離子的量子電腦必須在極低溫下運作，耗能且成本高昂；其次是量子態很容易受到振動或電磁場的干擾，導致資訊遺失、計算錯誤；團隊僅用一顆光子創造出光量子電腦，克服了這2大困境。