# 如何實現量子電腦
前面文章提及了量子電腦具有的特性，疊加態與糾纏態，以及這兩個特性是如何讓量子電腦的運算比經典電腦快，或許你會好奇，這種擁有巨大計算能力的量子電腦要如何在現實中做出來，在這篇文章中，我們會提及普遍實現量子電腦的方式。
## 量子位元 Qubits
為了在現實中實現量子電腦，我們必須找到一個東西具有前面文章提及的疊加態（與糾纏態），那在現實生活中，哪些東西具有疊加態與糾纏態呢？沒錯，就是當初物理學家是透過什麼樣的東西發現到疊加態與糾纏態，為了觀察到疊加態與糾纏態現象，物理學家常會用光和電子來做實驗，而這兩個東西就是自然界中我們能直接拿來做量子電腦的基礎單位，包括光、電子、原子和離子，亦或者是我們人類自己做出一個系統，這個系統具有疊加與糾纏特性，例如超導電路，由於這像是我們想辦法做出一個可以模仿自然界的東西，因此也被稱為「人造原子」，這幾個東西便成為今天量子電腦的主流實現方法。
## 常見量子電腦的物理實現方法
### 核磁共振（NMR）
NMR 常被化學家拿來鑑定化學物質結構，大家在醫院常聽到的 MRI（核磁共振造影）便是 NMR 在醫學上的應用。NMR 可以說是人類最早的量子電腦雛形，其利用分子中原子核自旋（Spin）作為 qubits，用無線電波操作自旋狀態來實現量子計算。NMR 在早期研究中留下豐富的理論和技術基礎供後世各種量子電腦技術蓬勃發展，但由於難以大規模化，NMR 技術並沒有成為量子電腦的主流方法。
(圖片來源 doi:10.1007/s11467-022-1249-z)
### 量子點量子電腦
量子點量子電腦與 NMR 類似，這種方法使用半導體材料實現，在材料上製作能夠侷限電子在特定位置的量子點（位能井），利用電子的自旋狀態作為 qubits。這種技術的優勢在於可以直接利用現有的半導體製程，但面臨的挑戰包括如何擴大 qubits 的數量和降低計算的錯誤率。代表公司像是 Intel。
(圖片來源 doi:10.1007/s11467-022-1249-z)
### 鑽石空缺
在人造鑽石的結構中故意製造一個缺陷，讓電子可以被困在這缺陷中，並透過操作電子的自旋方向來實現量子計算，類似量子點量子電腦。鑽石空缺是少數可以在室溫下操作的量子電腦，但鑽石的結構十分穩固，要在上產生缺陷並不容易，且不容易實現糾纏態。
(圖片來源 doi:10.1007/s11467-022-1249-z)
### 中性原子
透過雷射等光學方法將原子固定在特定範圍內，用原子中的電子作為 qubits，透過雷射操作電子在兩能階之間躍遷實現量子計算。基於原子的量子電腦在技術上相對成熟，且 qubit 品質穩定（畢竟從哪兒拿到的原子或離子都長得一模一樣），然而在規模化上會遇到許多挑戰，像是雷射設備會太複雜。代表公司像是 Atom computing。
(圖片來源 doi:10.1007/s11467-022-1249-z)
### 囚禁離子
是目前實現量子電腦的主流路線之一。用電場和磁場將離子困在真空腔裡的特定範圍內，用雷射控制離子最外層電子在兩個能階之間躍遷，以及控制離子集體振動狀態。如同原子量子電腦，qubit 品質穩定，但在規模化上會遇到雷射集成（雷射設備太多）問題，以及離子狀態改變的速度較慢，使得其計算速度相比其他方式較慢。代表公司像是 IonQ 和 Quantinuum。
(圖片來源 doi:10.1007/s11467-022-1249-z)
### 超導電路
某些金屬在極低溫下會出現零電阻（電流會一直存在，沒有能量損耗）的狀態，這種金屬我們稱作超導體，以超導體制做出的電路作為 qubits。超導電路是目前實現量子電腦中最熱門的方法之一，IBM、Google、Rigetti 和 D-Wave 等公司正式基於這種技術路線製作量子電腦。儘管超導電路取得顯著進展，但在如何解決高錯誤率和降低受外界干擾的程度，仍是其面臨的主要挑戰。
(圖片來源 doi:10.1007/s11467-022-1249-z)
### 光量子電腦
利用光的模態或偏振狀態當作 qubit，以各種線性與非線性晶格操作光子的狀態實現量子計算。這種方法的最大優點是可以在室溫下運行，不必在極低溫環境下工作，且不太受外界環境干擾。然而，光量子電腦在硬體設計上的靈活性較低，每換一種演算法都需要重新調整硬體設備，因此目前的光量子電腦都只能運行特定的演算法。Xanadu 是一家專注在光量子電腦的新創公司。
(圖片來源 doi:10.1007/s11467-022-1249-z)
### 拓樸量子電腦
堪稱人類量子電腦的終極路線，最理想的量子電腦。利用準粒子在世界線上的拓璞狀態作為 qubits，這種類型的量子電腦理論上不會因為受環境干擾，比前面提及的技術穩定很多，具有更低的錯誤率。然而目前此類量子電腦還在理論階段，實作上要碰到的挑戰比前面提及的技術還難，主要的代表公司有 Microsoft。
(圖片來源 doi:10.1007/s11467-022-1249-z)
## 結論
以上是常見量子電腦的實現方式，每種方式都各有優缺點，但未來哪種方式能勝出成為主流，老實說，沒有人能確定，現在主流的超導電路和離子也不代表在未來就會勝過其他實現方式，成為人人都用的量子電腦。
## 延伸閱讀
- **[量子電腦硬體介紹（上）](https://www.youtube.com/watch?v=z280osP2SFI)**：介紹 NMR 與中性原子量子電腦的硬體原理。
- **[量子電腦硬體介紹（下）](https://www.youtube.com/watch?v=2fgvoTYdwyw)**：介紹超導與離子阱量子電腦的硬體原理。
- **[超導量子電腦系列](https://www.youtube.com/playlist?list=PLBETzNTFH_iKCNtjTE8O10z9voXSQ7Dj_)**：前 IBM 工程師深入介紹超導量子電腦如何工作。
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