提前进场的新技术－量子存储器与量子闸

一个传统的位元只有两种状态：0与1。量子位元中也有两种状态，譬如在以电子自旋为信息的元件中，自旋可以朝上，也可以朝下。一个完整的量子位元(quantum bit；qbit)是这两种状态线性叠加(linear superposition)的量子状态，这就像是科普书中薛汀格的猫(Schrödinger’s cat; 注1)，有机会是死的，也有机会是活的，不观测前状态就是有死有活。

用数学式来表示，量子位元是两个状态各乘以一个复数的线性组合，受限于量子状态总机率为1的条件。一个复数有2个维度(dimension)，两个复数就有4个维度，扣掉受限的条件减去一个维度，一个量子位元的状态可能是3维球面上的任一点。传统的位元如果放在这3维球面上，它只能是南极或北极之中的一点，所以一个量子位元携带的信息含量远较传统位元多。

量子位元之间还可以经过物理作用(spooky action，Einstein的用词)而互相关联，术语叫做量子纠缠(quantum entanglement)－这也是量子传输与量子加密的基本原理－两个量子位元在经过作用后各自被观测，其观测结果呈现特定的相关(correlation)。

譬如一对电子透过物理机制使其自旋量子纠缠后各奔东西，之后如果其中一个电子的自旋被测量为自旋朝上，则另一个电子－不论相距多远－的自旋必然朝下。量子纠缠是传统位元完全不具有的特性。由于量子位元携带的信息量以及之间的量子纠缠，以量子位元为基础的量子计算在特定的领域比以传统位元为基础的计算有可观的优势，有时候优势可以达到指数式的加速。

量子位元需要先经物理程序的准备，用以读、写、储存量子位元的元件就是量子存储器(quantum RAM)。用以处理这些量子位元数据的元件就是量子闸(quantum gate)，主要的作用是把一个量子状态转换成另一个量子状态，像是将在3维球面上的一点移到另一点。量子闸可以处理一个量子位元，也可以同时处理两个量子位元，像传统位元的逻辑闸一样。

量子状态保存不易，过去必须依赖极低温的环境保存。看D-Wave 2000几米长宽高的机体，其实大部份空间都是用来维持0.015K低温的设备。但是最近的进展令人振奋，用离子化供体(ionized donor)磷31植入矽晶的元件已可在室温下维持量子状态达39分钟，这比完成一个量子计算所需的100ns彷佛是世纪之长。另外使用碳纳米球(carbon nanosphere)、量子点等更容易量产的元件当成量子存储器，在室温下维持量子状态的时间也越来越长。最重要的是，这些制造量子存储器或量子闸的方式都与现有的半导体制造生产技术兼容。

在几年前，量子计算还是明日科技，应用都偏向像质因数分解、蛋白质折叠、量子现象等比较学术导向的问题。Google虽然参与了2013年和NASA的D-Wave 2000测试计划，但是当时郑重否认要购买，现在Google要自己制造量子电脑了！（注2）量子电脑由于在机器学习领域可能发挥的潜力，整个时程被大幅拉进，这也是科技部要将之列入《前瞻芯片系统及半导体设计计划》的原因。

注1：薛汀格的猫是量子物理奠基人之一的物理学家薛汀格（1887-1961）所提出的思想实验，假设把1只猫、1个毒气瓶和氰化氢的玻璃烧瓶和放射性物质放进封闭的盒子里，每当放射性原子衰变后就会释放毒气，在一时间内衰变则会有个机率值，根据量子理论，在打开盒盖前，猫会同时处于活与死两种重叠状态中，直到有人打开盒盖观测了才知死活。此思想实验被广泛引用作为诠释量子力学的经典案例。

注2：Google于2015年便发表9量子位元的量子运算芯片，Google近期目标是希望在2017年年底前便可制作出采用超导线路技术芯片，可达49量子位元的量子电脑，此时量子电脑对特定题目的运算能力便可望超越现今的超级电脑，实现所谓的量子霸权(quantum supremacy)。