量子科技超速入門！硬體平台

吳致盛教授

量子科技近年來發展迅速，被視為繼網際網路、人工智慧之後，改變科技典範的強大力量。「量子」一詞越來越常出現在生活中，一場產業革命正悄然而快速地展開。從全球政府、學研機構到科技巨頭與新創企業，量子科技的發展正在加速。此時此刻，量子科技宛如沸騰前的熱水，處於臨界狀態，當能量與條件充足時，將瞬間發生相變，徹底改變產業與生活樣貌。可以預見，對於Z世代與Alpha世代，量子科技將如同今日的電腦、網路與人工智慧，成為生活中不可或缺且必須理解的一部分。

在這篇文章中，我將以快速入門的方式，介紹當今量子科技的主要硬體平台，幫助讀者從這個角度對量子科技建立全面的認識與興趣。量子力學自誕生至今已逾百年，作為描述微觀世界的理論，其概念與未來發展對許多人而言仍顯抽象。近年來，量子科技進展神速，越來越常見於科技新聞與話題，成為理工學子渴望了解的領域。然而，量子力學描述的微觀世界（光子、電子、原子、分子、超導等系統）與我們熟悉的巨觀世界差異極大，許多量子現象難以用日常經驗的直覺解釋，使量子科技蒙上一層神秘面紗。在科普演講中，過度簡化的說明常使量子顯得玄之又玄，甚至引發誤解。要正確理解量子科技的內涵與潛力，必須深入探討量子力學的四大特性：能量量子化、疊加、量測與糾纏。掌握這些特性，才能對量子科技有清晰且正確的認識。這部分內容，我將在另一篇文章「量子科技超速入門！硬核開講」中詳細介紹。

量子硬體的核心在於實現量子位元（qubit）。理論上，任何物理系統的兩種狀態皆可用來表示二位元（0與1），因此量子位元的實現方式相當多元，包括光子、電子、原子、分子、超導等系統。在深入了解量子位元之前，需先認識到量子位元極為脆弱，任何外界擾動都可能破壞其四大特性，進而損害量子系統的卓越性能。因此，硬體設計的重點在於如何保護與精確操控量子位元。以下介紹光子、超導、電子自旋與離子井等主要硬體平台。

光子平台（Photonic Qubit）

光子量子位元以光子（光的粒子）作為量子資訊載體，通常利用光子的偏振（例如水平或垂直偏振）、相位或光子數等屬性來編碼量子位元的0與1狀態。光子平台的優勢在於光子幾乎不受環境雜訊干擾，因其不帶電且與外界物質的交互作用極弱，這使得光子量子位元在長距離量子通訊（如量子密鑰分配，QKD）中表現優異。此外，光子平台的一大特點是操作環境的靈活性。相較於其他量子系統（如超導或離子井），光子系統是唯一可在接近室溫下運行的量子硬體，無需極低溫冷卻系統，大幅降低硬體成本與複雜度。然而，挑戰在於光子間的交互作用較弱，實現量子邏輯閘需仰賴複雜的光學系統，例如非線性光學元件或精密干涉儀。此外，光子損耗（photon loss）是主要障礙，因為光子在傳輸或操控過程中可能被吸收或散射，影響量子態的穩定性。

近年來，矽光子學（silicon photonics）成為光子量子計算的關鍵技術，透過成熟的半導體製造技術（如CMOS製程），在矽晶片上整合光子元件，提供可擴展且高效的量子硬體平台。矽光子學利用矽或氮化矽（SiN）波導傳輸光子，結合單光子源、探測器與光學開關，實現量子位元的產生、操控與測量。以下介紹兩家領先企業的矽光子量子技術：

PsiQuantum的矽光子技術

PsiQuantum專注於打造具容錯（fault-tolerant）能力且規模達百萬量子位元的量子計算機，採用單光子雙軌編碼（dual-rail encoding），即利用光子在兩個光學路徑中的存在與否來定義量子位元。他們與全球頂尖半導體代工廠GlobalFoundries合作，利用晶圓製程生產高性能光子量子晶片。PsiQuantum的「Omega」晶片組於2025年亮相，整合高效單光子源、超導單光子探測器（基於氮化鈮，NbN）與低損耗光學開關（使用鈦酸鋇，BTO），實現99.98%的單量子位元狀態準備與測量保真度、99.5%的雙光子干涉可見度，以及99.22%的雙量子位元融合閘保真度。

Xanadu的矽光子技術

Xanadu採用連續變量（continuous-variable, CV）光子量子計算，透過光的「壓縮態」（squeezed state）的正交分量（如振幅與相位）編碼量子資訊，與PsiQuantum的單光子方法不同。他們的晶片基於氮化矽波導，利用標準半導體光刻技術製造，具備高整合度與可擴展性。Xanadu於2025年展示了「Aurora」，一個由35個光子晶片組成的模組化量子計算機，包含84個壓縮器（squeezer）與36個光子數探測器，每時鐘週期提供12個物理量子位元模式，實現跨晶片糾纏的86.4億模式叢集態（cluster state）。Aurora展示了容錯編碼的即時解碼能力。其系統大部分元件可在室溫運行，僅光子計數探測器需低溫冷卻。

超導量子位元（Superconductor Qubit）

超導量子位元利用超導電路中的約瑟夫森結構（Josephson Junction）實現量子位元，通常在接近絕對零度的極低溫環境中運行。超導電路可模擬人工原子的能階結構，透過操控電流或磁通量實現0與1的量子態及其疊加。超導量子位元的優勢在於其製造技術與現有半導體產業相容，且量子邏輯閘的操作速度極快（奈秒級）。然而，它對環境雜訊（如熱振動或電磁干擾）極為敏感，需精密的冷卻系統與隔離技術。IBM、Google與Rigetti等公司廣泛採用超導平台，已實現上百量子位元的量子處理器，朝可擴展量子計算邁進。

電子自旋（Spin Qubit）

電子自旋量子位元利用電子自旋的上下態（spin-up與spin-down）編碼量子資訊，通常在半導體材料（如矽或砷化鎵）的量子點（quantum dot）或缺陷中心（如鑽石中的氮-空位中心）中實現。電子自旋的優勢在於尺寸極小，與現有半導體技術高度相容，有望實現高密度量子位元陣列。此外，自旋量子位元的相干時間（coherence time）較長，有助於穩定量子態。挑戰在於精確操控單一電子的自旋需高精度磁場或微波脈衝，且對材料純度要求極高。電子自旋平台在量子計算與量子感測領域具潛力，例如荷蘭QuTech與英特爾的量子點研究展示了可擴展的量子計算架構。

離子井位元（Ion Trap Qubit）

離子井量子位元利用電磁場構成的井捕獲帶電原子（離子）的量子態，通常以離子的內部能階（如基態與激發態）表示0與1。透過雷射脈衝精確操控離子的量子態，可實現高保真的量子邏輯閘操作。離子井平台的優點在於量子位元的相干時間長、操作保真度高，且離子間的庫侖相互作用有利於實現多量子位元糾纏。挑戰在於系統的擴展性，因增加離子數量會使電磁場控制更為複雜，且雷射的精密度要求極高。IonQ與Honeywell等公司正開發離子井量子計算機，其應用包括量子化學模擬與高精度量子計量。