量子資訊技術
量子資訊技術及其應用指南
何謂量子資訊技術？
量子資訊技術（QIT）是一門快速發展的領域，它運用量子力學以嶄新方式操縱資訊，相較於經典技術能帶來顯著提升。QIT利用量子疊加與量子糾纏等現象，克服資訊儲存、處理、傳輸及安全方面的挑戰。該領域涵蓋一系列運用量子系統的應用，包括量子運算、量子感測與量子通訊。
我們正站在由量子力學驅動的資訊技術（IT）革命邊緣。實現此目標需透過協作研究，以克服控制量子領域特性所面臨的固有挑戰。每項突破皆深化對量子特性的理解，進而催生嶄新架構與創新技術，使我們更接近實現量子霸權與商業可行應用的目標。
將量子系統擴展至千量子位元及更遠的未來
是德科技近期交付了全球規模最大、性能最先進的量子控制系統，該系統在規模與效能兩方面均突破了量子運算的極限。
拓展您的量子知識
量子資訊技術是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，透過逐步指導與實作示範，協助學員理解量子研究、系統設計及後量子密碼學的各個面向。
量子視野 第一部 - 核心概念與系統設計
本兩部分組成的量子資訊技術入門指南之第一部分，旨在提供量子計算理論與設計的基礎認知。完成此密集課程後，您將能自信地闡述量子計算的構成要素，辨識不同量子平台，並理解量子系統的設計原理。
量子前沿第二部——挑戰與產業影響
在《量子前沿》基礎訓練營的第二部分中，您將深入探索技術障礙、突破性應用，以及實現量子資訊技術商業化所需的關鍵要素。完成本訓練營後，您將理解量子技術在各產業的商業潛力，並掌握研究人員如何克服挑戰以實現量子技術的商業化。
超導量子設計的挑戰
本技術深度解析探討設計超導量子晶片的挑戰，以及如何運用電子設計自動化工具來緩解這些難題。完成本訓練營後，您將掌握實現超導量子晶片的知識，並習得可立即應用於當前設計流程的實務技能。
後量子密碼學之實作與分析
本訓練營將為您提供建構加密防禦所需的工具，以應對量子運算威脅不斷演變的態勢。完成課程後，您將掌握在嵌入式與汽車環境中部署強健量子抗性加密技術的新策略與方法。
2025：國際量子年
聯合國將2025年定為「國際量子科學與技術年」（IYQ），以此表彰量子領域百年來的創新成就。這項為期一年的全球倡議將敞開量子世界的門戶，誠邀各界深入探索量子資訊技術如何為全人類塑造更美好、更光明的未來。
與是德科技共同慶祝這個重大時刻，深入了解國際量子年（IYQ）的核心理念——該理念旨在彰顯協作創新與國際合作的精神，正是這股力量自該非凡研究領域誕生以來，始終定義著其發展軌跡。
量子技術關鍵發展時間軸
當今量子技術的突破成就，很大程度上歸功於演算法與理論領域的先驅者。要真正理解量子技術的重要性，必須先釐清我們是如何走到這一步的。
二十世紀初：量子力學的開創性研究
1900年：馬克斯·普朗克的量子假說提出量子化概念，用以解釋黑體輻射現象。
1905年：阿爾伯特·愛因斯坦發表其光電效應理論，該理論指出光由稱為光子的離散能量包組成。
1924–1927年：路易·德布羅意提出物質的波粒二象性，促使埃爾溫·薛定諤開展波動力學研究、維爾納·海森堡創立矩陣力學，以及馬克斯·玻恩提出量子力學的機率詮釋。
二十世紀中期：推進基礎量子資訊技術的發現
1932年：詹姆斯·查德威克發現中子，促使與原子核相關的量子理論得以發展。
1935年：愛因斯坦、鮑里斯·波多爾斯基與納森·羅森發表〈量子力學對物理現實的描述能否視為完整？〉。這篇更廣為人知的EPR論文質疑量子力學的完備性。
1947年：威利斯·蘭姆與羅伯特·雷瑟福發現蘭姆位移效應，證實量子電磁力學的正確性，為量子場論奠定基礎。
1959年：理查·費曼提出量子電腦的概念。
1968年：保羅·狄拉克提出量子閘理論，為量子計算奠定基礎。
1970年代：量子資訊理論（包含量子密碼學與量子傳輸）逐漸受到重視。
二十世紀末：在量子資訊技術應用領域開拓新路徑
1981年：費曼提出利用量子電腦進行量子系統模擬的構想。
1984年：大衛·多伊奇在其論文 《量子理論作為普適物理理論》中提出普適量子電腦的概念。
1994年：彼得 ·肖爾以自身命名的整數質因數分解演算法，展現了量子運算對密碼學的影響。
1998年：Isaac Chuang 展示了首個利用核磁共振技術實現的量子閘門。
21世紀：突破量子技術的疆界
2000年代初期：量子密鑰分發系統首次進行商業展示，用於實現安全通訊。
2009年：科學家首次展示採用超導量子位元組的固態量子處理器。
2010年代：受困離子的突破性發現、量子位元組寄存器的擴展，以及錯誤校正協議的發展，加速了實驗性量子運算的進展。
2020年代：政府、學術界與產業界持續增加投資，推動量子通訊、量子感測、量子計量與量子模擬等領域取得突破性進展。
量子力學的基礎原理
古典力學與量子力學之間有哪些關鍵差異？
海森堡不確定性原理（HUP）標誌著物理學從經典可預測性向量子概率的轉變，並凸顯了經典力學與量子力學的差異。該原理主張：當我們對粒子某一屬性的認知愈精確，就愈難以精確判定其餘屬性。
例如，你測量位置越精確，速度的不確定性就越大，反之亦然。這是因為要觀察粒子，必須用光照射它；要測量其位置，光必須具有短波長。然而，由於這些短波長光源能量密度高，會干擾粒子的速度。 因此，試圖精確測量粒子位置的行為，會使精確測量其速度變得困難。
HUP 作為理解經典力學與量子力學之間深層差異的關鍵門戶，涵蓋了疊加態、量子位元及糾纏等核心概念。
理解量子力學的關鍵概念
量子位元的一種常見數學描述採用布洛赫球面。想像一個以(0,0,0)為中心、半徑為1的笛卡爾平面球體。我們將北極點稱為狀態|1>，南極點稱為狀態|0>，這些點最終成為基底狀態；它們構成球面上所有其他點的基底。 若將量子位元所有可能狀態視為球體表面的點，則每個狀態皆可表示為|0>與|1>的線性組合。這揭示了量子位元能呈現無窮多狀態——正如球體表面存在無窮多點——且每個狀態皆是兩種基態的組合（或疊加！）。
概率振幅是描述系統在量子力學中行為的複數。 概率振幅是概率波的一種形式，用以描述在特定位置發現粒子的機率。 它們連結了系統的量子態向量與該系統的觀測結果。
量子技術極易受到噪聲、硬體缺陷及環境因素造成的錯誤影響。能夠偵測並修正量子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。研發高效的錯誤校正碼與協議，在保護量子資訊免受噪聲與退相干影響的同時，盡可能降低資源成本，是當前研究人員面臨的首要挑戰。
量子資訊技術的核心元件
量子位元
量子位元（或稱量子比特）是量子資訊技術的基礎元件，亦是量子資訊的最基本單位。經典資料位元僅存在兩種狀態，以0與1表示。儘管經典位元能呈現多種形式並執行廣泛功能，但其狀態必須始終維持在0或1的二元狀態。
若將量子位元比喻為一個球體，其表面代表了量子位元所有可能的狀態。經典位元如同僅位於球體兩極的點，固定處於0或1的狀態。量子位元則能佔據球體表面的任意位置，代表著無窮無盡的可能狀態。這種自由度使量子位元能夠編碼與處理比經典位元多出指數級的資訊量。
量子位元透過疊加與糾纏實現此功能。疊加特性賦予其非凡的靈活性與強大能力；糾纏則使量子位元產生特殊關聯性，無論彼此距離多遠，其中一個量子位元的狀態變化皆能瞬間影響另一個。這些獨特性質突破了經典位元的限制，讓量子位元得以存在於豐富而複雜的狀態空間中。它們能以嶄新方式編碼與處理量子資訊，有望在計算、通訊及密碼學領域帶來重大突破。
疊加
回歸球體類比，疊加效應使量子位元能同時在0與1狀態之間傳遞資訊。在經典物理學中，物體在任何時刻都具有明確的屬性。然而在量子物理學裡，電子、光子與原子等粒子能同時處於多種狀態的組合中，此現象即稱為疊加。
薛丁格的貓是一個著名的思想實驗，描述了未衰變與已衰變放射性核素的量子疊加態如何影響巨觀層面的疊加現象。 在此駭人情境中，科學家將一隻貓置於裝有放射性裝置的箱內，該裝置控制著毒藥的釋放。毒藥釋放的瞬間無法預知，因此貓同時處於生與死的疊加狀態，直至我們開啟箱蓋觀察其命運。
量子力學無法預測薛丁格貓的命運。相反地，它為我們提供了一組大量重複實驗中，當我們打開箱子時發現貓處於何種狀態的機率分布。
疊加效應使量子位元（qubits）得以同時呈現多重狀態，從而執行高度複雜的運算功能。回溯球體類比，疊加態具有振幅值，使量子位元能在0與1狀態之間同步傳遞資訊。隨著量子位元數量增加，可用的概率振幅數值將呈指數級增長。正是這項特性賦予量子技術相較於經典技術，大幅提升運算任務執行速度的可能性。
量子糾纏
量子糾纏是駕馭量子資訊處理的關鍵。當兩個或多個粒子的狀態產生關聯時，便會產生量子糾纏現象——此時任一粒子的狀態會瞬間影響另一粒子的狀態，且不受兩者間距離的限制。
當糾纏粒子分離時，這種關聯性仍會持續存在，即使相隔遙遠距離亦然。若無糾纏狀態，每個量子位元會獨立存在於球體上，各自處於專屬的可能狀態世界。然而當量子位元產生糾纏時，其位置便會形成精妙連結，使它們得以探索比單獨存在時更廣闊的狀態範圍。
糾纏量子位元在球體表面的協同運動，將疊加效應賦予的靈活性推向極致。當對其中一個糾纏量子位元進行測量並使其坍縮至特定狀態時，另一個量子位元的狀態亦會隨之瞬間確定——無論其在球體表面的何處。糾纏特性使量子位元得以運用其集體量子本質，從而釋放高效運算、安全通訊及創新密碼協議的潛能。
此圖展示了兩位觀察者愛麗絲與鮑伯共享糾纏態的狀態。
量子退相干
儘管前述特性使量子位元具備遠超經典位元的運算能力，量子電腦面臨的重大挑戰在於一種稱為量子退相干的現象。
量子退相干發生於系統與環境元素（如空氣、熱輻射或非破壞性測量裝置）相互作用時。要理解退相干現象，必須先掌握量子相干的本質。最基礎的相干概念，是指量子系統內不同可能狀態間關聯性的度量。此資訊對量子電腦的運作至關重要，而隔離狀態能維持相干性。
當系統與其內部及外部環境相互作用時，便會發生量子退相干現象。此時系統資訊與環境資訊相互交融，導致難以區分量子系統訊號與環境雜訊。量子位元狀態本就不穩定，各種環境因子可能以未知方式影響其狀態，類似科學測量中的雜訊干擾。 一個游離光子或溫度波動都可能導致量子位元發生能量位移，進而使系統狀態更接近坍縮狀態。
量子干涉
除了環境因素的影響外，糾纏系統中的量子位元亦會影響其他量子位元的狀態。當量子位元可能呈現的不同狀態之概率振幅相互干涉時，便會產生量子干涉現象，進而引發建設性或破壞性干涉效應。每條軌跡皆對應於施加於量子位元上的不同操作序列。
當軌跡的概率振幅相互對齊並增強時，便會產生建設性干涉，從而提高量子位元處於特定狀態的機率。反之，當軌跡的概率振幅相互抵消時，則會產生破壞性干涉，降低量子位元處於特定狀態的機率。
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態並控制干涉效應，量子演算法能利用干涉現象提升運算效率，進而解決經典系統難以處理的問題。
量子錯誤校正
為對抗系統中的量子退相干與雜訊，量子電腦運用量子糾纏與干涉效應輔助錯誤校正。相較之下，經典錯誤校正更為簡便：位元僅能為0或1，錯誤僅限於位元翻轉。為解決此問題，經典電腦採用冗餘編碼技術處理位元。 與其用1位元表示0或1，更採用多重位元組合（如000或111）。錯誤可能呈現為010，此時可判定其本意為0，僅中間位元發生翻轉。此機制之所以可行，在於經典位元翻轉的機率極低。
量子位元則不同。儘管其狀態可能偏離預期，但由於觀測會引發測量坍縮效應，我們無法察覺這種偏移。 我們處理此現象的方式類似於經典位元：透過冗餘編碼量子位元，同時將其與輔助量子位元置於糾纏態。在糾纏態中，每個量子位元的狀態皆與其他量子位元相互連結。如此一來，我們便能從輔助量子位元提取資訊，推斷出計算量子位元的狀態偏移，進而進行修正。
量子資訊處理與通訊
量子力學的特性奠定了量子資訊技術（QIT）能為資訊技術（IT）帶來革命性潛力的根基。量子系統的運算能力會隨著每個新增量子位元（qubit）呈指數級增長。透過以各種方式安排多量子位元處理器中振幅之間的干涉現象，便能解鎖連最先進的經典超級電腦都無法達成的運算任務解決方案。
在經典物理學中，我們被動地觀察系統。例如，我們可以觀看一個人踢球，既不會被察覺也不會影響該動作。量子世界則不然。觀察量子資訊時，不可能不造成干擾或不留下痕跡。
此外，糾纏量子位元可能存在於無法被納入考量的狀態中。絕大多數量子態都涉及糾纏現象，因此此現象對量子運算至關重要。由於糾纏量子位元無需位於同一位置，糾纏特性為通訊技術開創了諸多可能性。
這些及其他實例均彰顯量子技術在電腦運算、密碼學、安全通訊等領域的龐大潛能。
量子資訊技術的類型
量子運算
量子電腦代表著計算領域的突破性範式，運用量子力學原理實現前所未有的運算速度。其運作核心在於量子位元（qubits）——古典位元（bits）的量子對應體，透過利用疊加效應與糾纏現象，以根本不同的方式編碼與處理資訊。
疊加效應使量子位元能同時存在於多種狀態，為計算提供指數級並行處理的潛力。與此同時，糾纏現象在量子位元之間建立起超越經典直覺的關聯性，得以創造高度相關的狀態，以非凡效率編碼與操縱量子資訊。
透過干涉現象——即不同量子態的概率振幅相互干涉——量子電腦得以利用疊加態與糾纏態的運算優勢執行複雜計算。此方法可為特定運算任務帶來潛在加速效果，例如採用肖爾演算法進行整數分解，以及運用葛羅佛演算法執行非結構化搜尋。
量子電腦在人工智慧、密碼學、材料科學、優化等領域展現出巨大潛力。然而要實現這些潛能，必須克服諸多重大挑戰，例如量子退相干、量子噪聲，以及可擴展量子硬體的工程化問題。
儘管存在這些障礙，持續的研發工作正不斷提升量子計算系統的能力。隨著技術持續進步，我們預期將出現日益強大且多功能的量子電腦，它們將突破現有計算能力的極限，徹底改變我們所熟知的計算領域格局。
量子感測
量子感測是一項尖端技術，運用量子力學原理實現超越經典感測器能力的超高精度測量。其核心原理在於利用量子疊加與量子糾纏等特性，從而提升測量靈敏度與精確度。
高精度原子鐘是量子感測技術的顯著範例。此類時鐘仰賴原子（通常為銫或銣）的量子特性，實現非凡精準的計時能力。藉由利用原子能級躍遷的精確頻率，原子鐘能在數百萬年時間跨度內，維持納秒級的計時精度。
量子感測的另一項關鍵應用是量子磁力計，其目標是以空前靈敏度偵測與量測磁場。量子磁力計利用原子自旋的量子特性來感知磁場的微小變化。量子磁力學在多個領域皆有應用，包括地球物理學、導航系統及醫學影像等領域，這些領域皆需仰賴高精度的磁場測量技術。
此外，量子感測器正針對其他應用領域持續研發，例如重力感測、慣性感測及量子成像。以量子重力感測器為例，其目標在於偵測重力場的微小變化，藉此洞察地質結構、地下資源及環境變遷。基於量子技術的慣性感測器，則有望在GPS訊號受阻的環境中提供精確定位與方位資訊，從而徹底革新導航系統。
量子技術的進展，包括量子位元控制、量子測量技術及量子錯誤校正，正推動量子感測器的發展。這些進展使感測器得以具備前所未有的靈敏度、精確度與穩健性，為科學研究、工業應用及技術創新開創嶄新契機。
總體而言，量子感測技術憑藉其超越經典感測器的超高精度測量能力，有望徹底革新地球物理學、導航技術、醫學診斷及環境監測等領域。隨著量子感測技術的研發持續推進，精密測量技術將迎來更顯著的突破，進而為各領域帶來嶄新的洞見與發現。
量子通訊
量子通訊是一門新興領域，運用量子力學原理確保資訊在各方間的安全傳輸。有別於依賴數學演算法進行加密的經典通訊協議，量子通訊協議善用量子系統的固有特性，實現無法破解的安全性。
量子通訊的核心在於量子糾纏現象。根據此概念，兩個或多個粒子的狀態會產生關聯，使得其中一個粒子的狀態能立即影響另一個粒子的狀態，無論兩者相距多遠。
量子通訊的主要應用之一是量子密鑰分發（QKD），該技術能產生具備無條件安全性的加密密鑰。在典型的QKD協議中，雙方（通常稱為愛麗絲與鮑伯）會交換編碼隨機資訊的量子態。任何試圖攔截或測量這些量子態的行為都會造成干擾，從而向愛麗絲與鮑伯揭露竊聽者（通常稱為伊芙）的存在。
量子力學的法則，特別是不可複製定理與量子不確定性原理，保證了量子密鑰分發協議的安全性。這些原理確保任何試圖在不被偵測的情況下測量或複製量子態的行為，都會導致不可逆的擾動，從而防止未被察覺的竊聽行為。
除了量子密鑰分發（QKD）之外，量子通訊還涵蓋其他加密協議，例如量子傳送、量子數位簽名以及量子硬幣拋擲。這些協議利用量子系統的獨特特性——包括疊加態與糾纏現象——實現參與者間的安全通訊與身份驗證。
量子通訊技術仍處於發展初期階段，但對於需要安全且私密通訊的應用領域——例如銀行業、政府通訊及軍事行動——具有極大的發展潛力。隨著量子通訊的研發持續推進，預期將出現日益精進且實用的量子通訊協議實現方案，為數位時代開啟安全通訊的新紀元。
量子計算架構
超導量子位元
超導電路作為量子位元，用於編碼與操控各種狀態。
優勢：可擴展性強、能實現快速閘操作，且與現有半導體技術相容
挑戰：相干時間、閘門保真度與量子位元間互連性
困離子量子位元
電磁場用於捕獲並操控單個離子，藉此編碼量子位元。
優勢：更長的相干時間、高閘門保真度，以及實現容錯量子運算的潛力
缺點：擴展性 、對單個離子的精確控制，以及複雜的實驗裝置
拓撲量子位元
與其他利用原子個別特性的量子位元不同，拓撲量子位元將資訊儲存於物理系統的拓撲特性中。研究人員運用物質的拓撲量子態來編碼量子位元，從而提供內建的錯誤保護機制。
優點：長相干時間、抵禦外部干擾、可擴展性、抗錯誤能力強
缺點：無可運作的原型，且難以觸及布洛赫球體上的所有點
QIT對產業的優勢
量子密碼學代表了通訊安全領域的範式轉移， 為保護敏感資料免遭惡意行為者攔截與解密提供了更優異的防護方案。
量子電腦實現精確的分子相互作用模擬， 將加速發現具備理想特性的新藥品與新材料。
量子演算法具備更高效解決複雜優化挑戰的潛力， 從而實現更優異的投資組合管理、供應鏈優化及物流規劃。
量子機器學習演算法加速了深度學習模型的訓練進程，並提升了模式識別能力，從而推動人工智慧（AI）領域取得重大進展。
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