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清華大學用一顆光子造出全世界最小量子電腦【2024.10.16秘書處】

本校物理系、前瞻量子科技研究中心褚志崧教授領導的研究團隊今天宣布,成功研發出全世界最小的量子電腦——僅僅使用一顆光子,這也是台灣研發出的第一套光學量子電腦。

褚志崧教授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。

褚志崧教授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)。

高為元校長表示,褚志崧教授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!」

褚志崧教授指出,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。而褚教授打造出的這顆光子,則有32維空間來儲存資訊,也就是32次元,打破了世界紀錄。

褚志崧教授比喻,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。

褚志崧教授指出,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,褚志崧教授改變思路,「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。但褚志崧教授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。

褚志崧教授指出,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。

理學院牟中瑜院長指出,褚志崧教授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。

牟中瑜院長特別提到,這套光量子電腦是本校前瞻量子科技研究中心自主研發的成果,展現本校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謝明修所長今天也應邀參加發表會,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。

本校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。

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