一顆光子就能運算 清大造全球最小量子電腦！

清華大學物理系及前瞻量子科技研究中心教授褚志崧領導的團隊，於16日宣布成功研發出全世界最小量子電腦，該電腦僅利用一顆光子在環狀光纖中進行運算，便可完成質因數分解等複雜的數學運算。這是全球首次使用高維度光子實現量子演算法，成功將量子電腦小型化，並可在室溫下運作。

清華大學校長高為元表示，去年他參觀過美國最先進的量子電腦實驗室，其龐大的冷卻系統需維持在攝氏零下273度，設備佔據了整個房間。相比之下，清大團隊開發的光量子電腦不僅可在室溫下操作，且設備只有一個盒子大，非常不容易。

2024年10月16日，清華大學宣布成功研發出全世界最小的量子電腦。（記者林倩玉／攝影）

32維空間技術 創量子電腦新紀錄

褚志崧指出，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，甚至設計更好的蓄電池。團隊發表的光量子電腦是台灣研發出的第一套光學量子電腦，可在室內、戶外運作，是全世界唯一一台只用一個量子電晶體可實現的量子電腦，也是全世界最小的量子電腦。另外，以實用性及未來拓展性而言，此技術更適合設計複雜的量子電腦。

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。而團隊打造出的這顆光子，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。

褚志崧表示，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？」

清華大學物理系教授褚志崧打造出的一顆光子，有32維空間來儲存資訊。（清大提供）

「光」穩定傳輸 改寫電腦規則

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。

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）。

清華大學理學院院長牟中瑜指出，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。

2024年10月16日，清大校長高為元表示，褚志崧團隊成功研發出全世界最小的量子電腦，絕對是量子電腦的一大里程碑。（記者林倩玉／攝影）

2024年10月16日，清華大學宣布成功研發出全世界最小的量子電腦。（記者林倩玉／攝影）