清華大學用一顆光子造出全世界最小量子電腦

清華大學物理系、前瞻量子科技研究中心教授褚志崧領導的研究團隊16日宣布，成功研發出全世界最小的量子電腦—僅僅使用一顆光子，就可以在室溫下進行運算，這也是台灣研發出的第一套光學量子電腦。未來可以與矽光子技術結合，成為台灣主導電子電腦發展的契機。鴻海研究院量子計算研究所所長謝明修、台積電余振華院士研究團隊成員吳宇彤博士也出席關注。

褚志崧團隊今天在記者會現場展示，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表示，褚志崧團隊今天的發表絕對是量子電腦的一大里程碑。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；清華團隊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，「真希望未來我們每個人桌上都有一台光量子電腦！」

褚志崧指出，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。

褚志崧比喻，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。因此，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資訊儲存容量，讓一顆光子能夠容納更多的資訊，實現更複雜的量子運算。

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。

量子電腦的發展深受期待，但也面臨兩大挑戰，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。但褚志崧研究團隊僅用一顆光子造出的光量子電腦，則克服了這兩大困境。

褚志崧指出，光子可在室溫下保持穩定的量子態，不需要極低溫環境，耗能少，成本也較低。此外，光子可以長距離傳輸，不易受干擾，對將量子電腦投入商業化應用具有獨特的優勢。

清華大學理學院院長牟中瑜指出，褚志崧的研究成果為建構量子電腦找到了一套新的途徑——單光子的量子電腦。有別於目前國際間所追求的建構主流，它的優點是可結合同樣採用光來傳輸的量子通訊，形成量子網路，並且可以在室溫下進行，這是很大的突破，特別是此技術可以與目前的矽光子技術結合、與古典電腦整合在一起，有很大的潛力讓台灣能延續在半導體技術的優勢，是台灣主導量子電腦發展的契機。

牟中瑜特別提到，這套光量子電腦是清華大學前瞻量子科技研究中心自主研發的成果，展現清華在量子科技的創新能力與技術實力。光量子電腦技術未來的應用範圍將十分廣泛，包括加速新藥研發、優化物流、並可與量子通訊結合以改善資安等；以其大幅超越目前超級電腦的計算效率，可進一步推進AI等未來產業的發展。

鴻海研究院量子計算研究所所長謝明修也應邀參加發表會，他讚譽清華大學各領域的人才都有，最適合投入量子電腦的研發。他也認為，台灣應更積極投入並大力投資量子電腦及量子通訊領域。

台積電余振華院士研究團隊成員吳宇彤說，清華今天發表的光量子電腦真的創造了歷史，這是前人沒有做過的。他認為，光子是非常好的載體，也可望真正實現量子電腦小型化的目標。

清華大學也加入了量子國家隊，去年5月宣布成功研發出台灣第一個量子加密通訊網路，可永久加密而不被破解，大幅提升網路通訊的安全性至國安等級。