量子資訊科技
量子資訊技術及其應用指南
什麼是量子資訊科技？
量子資訊技術 (QIT) 是一個快速發展的領域，它利用量子力學以新穎的方式操控資訊，相較於傳統技術，可帶來巨大的改進。QIT 利用疊加態和量子糾纏等量子現象，以克服資訊儲存、處理、傳輸和安全方面的挑戰。QIT 領域涵蓋一系列利用量子系統的應用，包括量子運算、量子感測和量子通訊。
我們正處於由量子力學所促成的資訊科技 (IT) 革命邊緣。要實現這一切，需要透過協同研究來解決控制量子領域特性所固有的挑戰。每一次突破都加深了對量子特性的理解，並催生了新的架構和創新，使我們更接近實現量子霸權和商業上可行的應用。
將量子系統擴展至千位元量子位元及更遠的境界
Keysight 最近交付了全球最大的量子控制系統，該系統在量子運算的規模和性能方面突破了極限。
擴展您的量子知識
量子資訊科技是一個複雜且快速發展的領域。這些技術訓練營由量子工程師設計，提供逐步指導和示範，以協助了解量子研究、系統設計和後量子密碼學的不同面向。
量子展望第一部分 - 核心概念與系統設計
本量子資訊技術入門指南（共兩部分）的第一部分，旨在提供量子運算理論與設計的基礎理解。在本次訓練營結束時，您將能夠自信地解釋量子運算的建構模組，識別不同的量子平台，並了解量子系統的設計方式。
量子展望第二部分 - 挑戰與產業影響
在「量子視野基礎訓練營」的第二部分，深入探討技術障礙、突破性應用，以及將量子資訊技術商業化所需的條件。完成本訓練營後，您將了解量子在各產業的商業潛力，以及研究人員如何克服挑戰使其成為現實。
超導量子設計挑戰
本技術深度探討了設計超導量子晶片所面臨的挑戰，以及如何利用 EDA 工具來緩解這些挑戰。在本次訓練營結束時，您將具備實現超導量子晶片的知識，以及可在當今設計流程中應用的技能。
後量子密碼學實作與分析
本新訓營為您提供所需的工具，以建構適用於量子運算威脅不斷演變格局的加密防禦。在本課程結束時，您將掌握在嵌入式和汽車環境中部署強大抗量子加密的新技術和策略。
2025：國際量子年
聯合國將 2025 年指定為 國際量子科學與技術年 (IYQ)，以認可量子創新百年。這項為期一年的全球倡議敞開量子領域的大門，歡迎所有人了解量子資訊技術將如何為我們所有人塑造一個更美好、更光明的世界。
與 Keysight 一同慶祝這個重要時刻，並深入瞭解 IYQ 的指導原則。這些原則彰顯了自創立以來，定義此卓越研究領域的協作創新與國際合作精神。
量子科學不為任何人所獨有
閱讀國際量子年八部曲系列中的第一篇，反思國際量子年的精神，了解其第一項原則。
誠邀所有人參與量子革命
探索第二個指導原則，它向量子革命發出了公開邀請。
量子之舞
探索國際量子年的第四個指導原則，了解承認共識、尊重異議和承認無知的重要性。
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量子領域的關鍵發展時間軸
現今的量子技術突破在很大程度上歸功於演算法和理論先驅。要掌握量子技術的重要性，您必須了解我們是如何走到這一步的。
20 世紀初：量子力學的開創性研究
1900: 馬克斯·普朗克的量子假說引入了量子化概念，以解釋黑體輻射。
1905: 阿爾伯特·愛因斯坦發表了光電效應理論，該理論指出光是由稱為光子的離散能量包組成。
1924 – 27: 路易·德布羅意提出了物質的波粒二象性，促使埃爾溫·薛丁格進行波動力學研究、維爾納·海森堡的矩陣力學，以及馬克斯·波恩對量子力學的機率解釋。
20 世紀中葉：推進基礎量子資訊技術 (QIT) 的發現
1932: 詹姆斯·查德威克發現中子，促使了原子核相關量子理論的發展。
1935: 愛因斯坦、鮑里斯·波多爾斯基和納森·羅森發表了《量子力學對物理實在的描述能被認為是完整的嗎？》。該論文又稱 EPR 論文，質疑了量子力學的完整性。
1947: 威利斯·蘭姆和羅伯特·雷瑟福發現了蘭姆位移，驗證了量子電動力學，為量子場論鋪平了道路。
1959: 理查·費曼提出了量子電腦的概念。
1968: 保羅·狄拉克引入了量子閘，為量子計算奠定了基礎。
1970s: 量子資訊理論，包括量子密碼學和量子隱形傳態，日益受到關注。
20 世紀末：開闢量子資訊技術 (QIT) 應用的新途徑
1981: 費曼提出使用量子電腦模擬量子系統。
1984: 大衛·德意志在他的論文《作為通用物理理論的量子理論》中提出了通用量子電腦的概念。
1994: 彼得·秀爾的同名演算法用於尋找整數的質因數，展示了量子計算對密碼學的影響。
1998 年：Isaac Chuang 首次展示了使用核磁共振的量子閘。
21 世紀：突破量子科技的界限
2000 年代初期：首次出現用於安全通訊實作的量子金鑰分發系統商業展示。
2009 年：科學家首次使用超導量子位元展示了固態量子處理器。
2010 年代：在離子阱、不斷增長的量子位元暫存器和錯誤校正協定方面的發現，加速了實驗量子運算的進展。
2020 年代：政府、學術界和產業投資的增加，推動了量子通訊、感測、計量和模擬領域的突破。
量子力學基礎
古典力學和量子力學之間有哪些主要區別？
海森堡不確定性原理 (HUP) 代表了從古典可預測性到量子機率的轉變，並突顯了古典力學和量子力學之間的差異。HUP 主張，我們越精確地了解粒子的某個屬性，我們就越不精確地確定其他屬性。
例如，您測量位置越精確，速度的不確定性就越大，反之亦然。這是因為為了看到粒子，您必須用光照射它；為了測量其位置，光線必須具有短波長。然而，由於這些短波長光源能量密集，它們會干擾粒子的速度。因此，試圖精確測量粒子位置的行為，會使得精確測量其速度變得困難。
HUP 是一個理解經典力學和量子力學之間深刻差異的門戶，包括疊加、量子位元和糾纏。
需了解的關鍵量子力學概念
量子位元的一種常見數學描述是使用布洛赫球。想像一個以 (0,0,0) 為中心，半徑為 1 的笛卡爾平面上的球體。我們將北極點稱為狀態 |1>，南極點稱為狀態 |0>，這些最終成為我們的基底狀態；它們成為球體上所有其他點的基礎。如果我們想像量子位元所有可能的狀態都位於球體表面，那麼我們可以將每個可能的狀態寫成 |0> 和 |1> 的某種線性組合。這表明量子位元可以呈現無限多種狀態，因為球體表面有無數個點，並且每個狀態都是這兩個基底狀態的組合（或疊加！）。
機率幅是一個複數，用於描述系統在量子力學中的行為。機率幅是機率波的一種形式，描述了在給定位置找到粒子的機率。它們連接了系統的量子態向量和該系統的觀測結果。
量子技術極易受到雜訊、硬體缺陷和環境因素造成的錯誤影響。偵測並校正量子狀態中錯誤的錯誤校正技術，對於開發容錯且具商業可行性的量子系統至關重要。開發高效的錯誤校正碼和協定，以保護量子資訊免受雜訊和去同調影響，同時將資源成本降至最低，是研究人員的首要挑戰。
量子資訊技術的核心元件
量子位元
量子位元 (或稱量子位元) 是量子資訊科技 (QIT) 的基本構成要素。它們是量子資訊最基本的單位。傳統資料位元存在兩種狀態，寫作 0 和 1。儘管它們可以採取多種形式並執行各種功能，但位元必須始終處於 0 狀態或 1 狀態。
如果您想像一個球體，其表面代表了量子位元所有可能的狀態。傳統位元就像只位於球體兩極的點，固定在 0 或 1 狀態。量子位元可以佔據球體表面上的任何一點，代表無限多種可能的狀態。這種自由度使量子位元能夠比傳統位元編碼和處理指數級更多的資訊。
量子位元透過疊加和糾纏來實現這一點。疊加賦予它們卓越的彈性和強大功能。糾纏使量子位元能夠相互關聯，一個量子位元的狀態會立即影響另一個量子位元，無論它們之間的距離為何。這些獨特的特性打破了傳統位元的限制，使量子位元能夠存在於豐富、複雜的狀態空間中。它們能夠以有望在運算、通訊和密碼學方面取得重大進展的方式編碼和處理量子資訊。
疊加態
回到球體類比，疊加態讓量子位元能夠同時在 0 和 1 狀態之間傳遞資訊。在古典物理學中，物體在任何給定時間都具有明確的屬性。然而，在量子物理學中，電子、光子和原子等粒子可以同時以多種狀態組合存在，這稱為疊加態。
薛丁格的貓是一個著名的思想實驗，它描述了未衰變和已衰變放射性原子核的量子疊加如何影響巨觀層面的疊加。在這個令人毛骨悚然的情境中，一位科學家將一隻貓放入一個盒子中，盒子裡有一個放射性機制控制著一小瓶毒藥。毒藥釋放的時刻未知；因此，這隻貓處於生與死的疊加狀態，直到我們打開盒子並觀察其命運。
量子力學無法預測薛丁格的貓的命運。相反地，它提供我們在大量相同實驗中打開盒子時，發現貓處於哪種狀態的機率。
疊加態使量子位元 (qubits) 能夠透過同時表示多個狀態來執行高度複雜的功能。回到球體類比，疊加態具有振幅，使量子位元能夠同時在 0 和 1 狀態之間傳遞資訊。隨著量子位元數量的增加，可用機率振幅的數量呈指數級增長。正是這種特性，讓量子技術有機會大幅加速運算任務的速度，超越其經典對應物。
量子糾纏
糾纏是利用量子資訊處理的關鍵。量子糾纏發生在兩個或多個粒子的狀態相互關聯，使得一個粒子的狀態能即時影響另一個粒子的狀態，而與它們之間的距離無關。
即使糾纏粒子分離很遠，這種關聯性依然存在。如果沒有糾纏，每個量子位元在球體上獨立存在，擁有自己的世界和可能的狀態。然而，當量子位元糾纏時，它們的位置會錯綜複雜地連結在一起，使其能夠探索比單獨存在時更廣泛的狀態範圍。
糾纏量子位元在球體表面的協調運動，可最大化疊加態所帶來的彈性。如果您對一個糾纏量子位元進行量測並使其塌縮到特定狀態，則另一個量子位元的狀態也會立即確定，無論它位於球體何處。糾纏使量子位元能夠利用其集體量子特性，釋放高效運算、安全通訊和新型密碼協定的潛力。
本圖表描繪了兩位觀察者 Alice 和 Bob 共享一個糾纏態。
量子去同調
雖然先前解釋的特性使量子位元能夠比傳統位元擁有更多的運算能力，但量子電腦面臨的一大挑戰是稱為量子去同調的現象。
當系統與環境中的元素（例如空氣、熱輻射或非破壞性量測設備）互動時，就會發生量子去同調。要了解去同調，必須先了解量子同調。最簡單來說，同調是指量子系統內不同可能狀態之間關係的量度。此資訊對於量子電腦的運作至關重要。隔離可維持同調性。
當系統與其內部和外部環境互動時，就會發生量子去同調。此時，系統資訊與環境資訊混合，使得難以區分量子系統訊號與環境雜訊。量子位元狀態不穩定，不同的環境因素會以未知的方式影響量子位元的狀態，類似於科學量測中的雜訊。一個雜散光子或溫度波動都可能導致量子位元的能量偏移。結果，狀態更接近崩潰。
量子干涉
除了環境因素的影響外，糾纏系統中的量子位元也會影響其他量子位元的狀態。當量子位元可能採取的不同狀態的機率振幅相互干涉時，就會發生量子干涉，從而產生建設性或破壞性干涉效應。每個軌跡都對應於對量子位元施加的不同操作序列。
建設性干涉發生在當軌跡的機率振幅對齊並相互增強時，這會增加在特定狀態下找到量子位元的可能性。破壞性干涉發生在當軌跡的機率振幅相互抵消時，這會降低在特定狀態下找到量子位元的可能性。
量子干涉在量子資訊處理中扮演關鍵角色。透過操縱量子位元的量子狀態並控制干涉效應，量子演算法可以利用干涉來提高運算效率，並解決傳統系統認為難以處理的問題。
量子錯誤校正
為了對抗系統中的量子去同調和雜訊，量子電腦利用糾纏和干涉來協助糾正錯誤。傳統的錯誤修正更容易處理。位元只能是 0 或 1，而錯誤只能是位元翻轉。為了解決這個問題，傳統電腦會冗餘地編碼其位元。它們不使用 1 個位元來表示 0 或 1，而是使用多個位元，例如 000 或 111。錯誤可能看起來像 010，我們可以假設這表示 0，而中間的位元只是發生了錯誤。這也適用，因為傳統位元中的位元翻轉很少見。
量子位元有所不同。雖然其狀態可能偏離預期，但由於觀察會導致量測崩塌，我們無法觀察到這種偏移。我們處理這個問題的方式類似於傳統位元，即我們冗餘編碼量子位元，但將它們與其他輔助量子位元置於糾纏狀態。在糾纏狀態下，每個量子位元的狀態都與其他量子位元的狀態相關聯。透過這種方式，我們可以從輔助量子位元中提取資訊，並推斷計算量子位元的狀態偏移，進而加以校正。
量子資訊處理與通訊
量子力學的特性是量子資訊技術 (QIT) 為 IT 帶來革命性潛力的基礎。量子系統的處理能力隨著每個額外量子位元呈指數級增長。以各種方式安排多量子位元處理器振幅之間的干涉，可解鎖即使是最強大的經典超級電腦也無法完成的計算任務。
在古典物理學中，我們被動地觀察系統。例如，我們可以觀察一個人踢球而不被察覺或不影響行動。量子則不然。不可能在不干擾或不留下證據的情況下觀察量子資訊。
此外，糾纏量子位元可以存在於無法分解的狀態中。大多數量子態都涉及糾纏，因此這種現象對於量子處理至關重要。由於糾纏量子位元不需要位於相同位置，糾纏為通訊技術開闢了許多機會。
這些及其他範例都證明了量子技術在電腦處理、密碼學、安全通訊等領域的巨大潛力。
量子資訊技術的類型
量子運算
量子電腦代表著運算領域的開創性典範，利用量子力學原理以無與倫比的速度執行計算。其運作的核心是量子位元，這是傳統位元的量子對應物，利用疊加和糾纏現象，以截然不同的方式編碼和處理資訊。
疊加態使量子位元能夠同時存在於多個狀態，為運算提供了指數級並行的潛力。同時，糾纏在量子位元之間建立起超越經典直覺的關聯，從而能夠建立高度相關的狀態，以極高的效率編碼和操控量子資訊。
透過干涉現象（其中不同量子態的機率振幅相互干涉），量子電腦可以利用疊加和糾纏的運算優勢來執行複雜運算。這種方法可為特定的運算任務帶來潛在的加速，例如使用 Shor 演算法進行整數分解，以及使用 Grover 演算法進行非結構化搜尋。
量子電腦在人工智慧、密碼學、材料科學、最佳化及其他領域具有巨大潛力。然而，要實現此潛力，需要克服諸多重大挑戰，例如去同調、雜訊以及可擴展量子硬體工程。
儘管面臨這些挑戰，持續進行的研發工作正在提升量子運算系統的能力。隨著進展持續，我們預期將出現功能日益強大且多功能的量子電腦，這些電腦將突破運算能力的極限，徹底改變我們所知的運算領域。
量子感測
量子感測是一項尖端技術，它利用量子力學原理實現超越傳統感測器能力的超高精度量測。其核心在於，量子感測利用疊加和糾纏等量子特性來提升量測靈敏度和準確度。
高精度原子鐘是量子感測的一個突出範例。原子鐘仰賴原子的量子特性（通常是銫或銣）來測量時間，並具有卓越的準確度。透過利用原子躍遷的精確頻率，原子鐘在數百萬年的時間內，可將計時準確度維持在奈秒等級。
量子感測的另一個關鍵應用是量子磁力測量，其目標是以前所未有的靈敏度偵測和量測磁場。量子磁力計利用原子自旋的量子特性來感測磁場的微小變化。量子磁力測量在地球物理學、導航和醫學影像等各個領域都有應用，在這些領域中，高精度磁場量測至關重要。
此外，量子感測器也正在開發用於其他應用，例如重力感測、慣性感測和量子成像。例如，量子重力感測器旨在偵測重力場中的微小變化，從而深入了解地質結構、地下資源和環境變化。基於量子技術的慣性感測器可以透過在 GPS 拒絕環境中提供精確的定位和方向資訊，徹底改變導航系統。
量子技術的進步，包括量子位元控制、量子量測技術和量子錯誤校正，正在推動量子感測器的發展。這些發展使得能夠創造出具有前所未有靈敏度、精準度和穩固性的感測器，為科學研究、工業應用和技術創新開闢了新的機會。
總體而言，量子感測有望透過提供傳統感測器無法實現的超高精度量測，徹底改變地球物理學、導航、醫療診斷和環境監測等領域。隨著量子感測研發的進展，我們可望在精密量測技術方面取得更大的突破，進而為各個領域帶來新的見解和發現。
量子通訊
量子通訊是一個新興領域，它利用量子力學原理來確保各方之間資訊傳輸的安全性。與依賴數學演算法進行加密的傳統通訊協定不同，量子通訊協定利用量子系統的固有特性來實現牢不可破的安全性。
量子通訊的核心在於量子糾纏現象。在這個概念中，兩個或多個粒子的狀態會變得相互關聯，因此一個粒子的狀態會立即影響另一個粒子的狀態，無論它們相距多遠。
領先的量子通訊應用是量子金鑰分發 (QKD)，它能夠生成具有無條件安全性的加密金鑰。在典型的 QKD 協定中，兩個參與方（通常稱為 Alice 和 Bob）交換編碼隨機資訊的量子態。任何攔截或量測這些量子態的嘗試都會干擾它們，從而向 Alice 和 Bob 揭示竊聽者（通常稱為 Eve）的存在。
量子力學定律，特別是不可複製定理和量子不確定性原理，保證了 QKD 協定的安全性。這些原理確保任何在未被偵測到的情況下量測或複製量子狀態的嘗試都會導致不可逆的擾動，從而防止未被偵測到的竊聽。
除了量子金鑰分發（QKD）之外，量子通訊還包含其他密碼協定，例如量子隱形傳輸、量子數位簽章和量子擲幣。這些協定利用量子系統的獨特特性，包括疊加和糾纏，來實現各方之間的安全通訊和驗證。
量子通訊技術仍處於早期發展階段，但它們在需要安全和私密通訊的應用中具有巨大的潛力，例如銀行、政府通訊和軍事行動。隨著量子通訊研究和開發的進展，預計將會看到越來越複雜和實用的量子通訊協定實施，從而開啟數位時代安全通訊的新紀元。
量子運算架構
超導量子位元
超導電路充當量子位元，用於編碼和操控各種狀態。
優點：可擴充、實現快速閘極操作，並與現有半導體技術相容
挑戰：同調時間、閘極保真度與量子位元間互連性
離子阱量子位元
電磁場可捕捉並操控單一離子，以編碼量子位元。
優點：更長的相干時間、高閘極保真度以及容錯量子運算的潛力
缺點：可擴充性、對單一離子的精確控制以及複雜的實驗設置
拓撲量子位元
不同於利用原子個別特性的其他量子位元，拓撲量子位元將資訊儲存在物理系統的拓撲特性中。研究人員利用物質的拓撲量子態來編碼量子位元，提供固有的錯誤保護。
優點：長相干時間、防止外部干擾、可擴充性以及錯誤的穩健性
缺點：沒有可運作的原型，且難以達到布洛赫球體上的所有點
QIT 對於產業的優勢
量子密碼學代表著通訊安全的典範轉移，並提供更好的方法來保護敏感資料，使其免於被惡意行為者攔截和解密。
量子電腦能夠實現精確的分子交互作用模擬，這將加速新藥物和具有所需特性的材料的發現。
量子演算法有潛力更有效地解決複雜的優化挑戰，從而實現更好的投資組合管理、供應鏈優化和物流規劃。
量子機器學習演算法可加速深度學習模型的訓練並改進模式識別，從而推動人工智慧 (AI) 的重大進展。
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