圖｜柯忠廷提供
我們偶爾會在新聞看到量子電腦，這個看似神奇的科技產物，能夠解決許多對於傳統電腦而言幾乎不可能解決的問題，例如開發新藥物、設計新材料、找出最佳化的物流路線、更準確的天氣預報，甚至還能破解現今最普及的密碼系統。
Why？這是因為量子電腦特別擅長處理具有大量可能性的問題。最簡易好懂的例子大概就是走迷宮了吧！傳統電腦如果要找到走出迷宮的路徑，方法就是不斷地嘗試錯誤，從起點出發，遇到岔路就右轉，失敗了再回到原點，改成左轉……一次次不斷重複，直到找出正確路徑為止。而量子電腦的作法則不同，它會同時嘗試所有可能的路徑，所以省去了失敗重來的過程，速度自然比傳統電腦快得多了。
那麼，量子電腦為什麼能夠像是有影分身一樣，同時嘗試各種可能性？原因在於「量子位元」，運作原則和古典電腦的位元大不相同。量子位元最重要的特性之一，就是「疊加態」。古典位元要嘛是 0，要嘛是 1；量子位元則可以同時是 0 也是 1，也可以 30% 機率是 0、70% 機率是 1。疊加態的特性讓起始狀態的可能性大幅增加，可以同時探索多種可能性。
量子電腦會在設計好的量子演算法之下探索所有可能性，過濾錯誤的雜訊、盡量保留正確訊號。最後，科學家才會進行量測，此時位元的疊加態會消失，位元數值收斂成 0 或 1，將機率最高的結果輸出到外接的傳統電腦。
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量子位元另一項重要特性是「耦合」。我們可以讓好幾個量子位元處於一種稱為「耦合」的狀態，就像是把它們連通起來，如果其中一個位元改變了，其他耦合的位元也會受到影響。
耦合狀態的量子位元就像學會了說話，能和附近的位元溝通、共享資訊，並且通力合作，讓計算更有效率。耦合特性還可以用在量子糾錯上，如果一個位元被干擾了，其他位元會跟著反映出錯誤，科學家就能發現錯誤的存在，並即時修正。
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先談談超導體吧！當材料的溫度降到特定溫度以下時，材料內的自由電子兩兩一組形成「庫柏對」，兩個電子以微弱的引力互相牽引，就像彼此拉著手，可以在材料的晶格之間自由流動，不會耗損任何能量，形成了零電阻的電流。此時的材料就稱為超導體。
除此之外，科學家還發現，如果製作出一個「超導體－絕緣體－超導體」的複合結構，只要絕緣層夠薄，庫柏對就能透過量子穿隧效應，穿過這層絕緣體。這樣的「超導體－絕緣體－超導體」結構被稱為「約瑟夫森接面」（Josephson Junction）。
2025 年諾貝爾物理獎得主克拉克（John Clarke）、德沃雷（Michel H. Devoret）與馬丁尼斯（John M. Martinis）三人，就是從約瑟夫森接面觀察到巨觀的量子穿隧效應。在光學顯微鏡可以看到的巨觀電路，他們看到約瑟夫森接面於極低溫的環境下，材料會變成超導體，組成庫柏對的電子們，會穿過絕緣層，整體接面會形成一個巨觀的量子疊加態。
柯忠廷表示，超導量子位元的設計概念，其實就是包含電感、電容的一個電路迴圈，其中的電感，就是用約瑟夫森接面做成的「非線性電感」，它是超導量子位元裡重要的核心。中研院自製量子位元的約瑟夫森接面，為「鋁—氧化鋁—鋁」的三明治結構。
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透過對非線性電感（約瑟夫森接面）的設計或調整，能讓量子位元只存在兩個穩定的能階。我們可以把它想像成樓梯的步階，在最底下時是 0，往上走一階是 1。0 和 1 之間相隔特定的能量差，只要透過外加的電磁場給予這個能量，就能讓量子系統在 0 與 1 之間震盪。
現在，我們擁有能儲存資訊、可以控制的量子位元了。
超導量子位元必須在接近絕對零度的極低溫環境才能順利運作，溫度約為 10 mK（-273.15 °C），目的之一是為了展現出超導特性。最重要的是，在接近絕對零度的環境中，幾乎沒有熱擾動的干擾，能階之間也保持著明確的能量差。
柯忠廷進一步指出，現在主流的量子位元設計中，給予能量的微波頻率是以某個特定的頻率為主，這個波段需要的溫度極低。「關鍵是低溫，」柯忠廷說：「就算未來有室溫超導體，也不代表能直接用在量子電腦上，因為它需要的能階差會更大，打入的能量頻率就得更高，有可能是現在技術還沒成熟到可以處理的情況。」（註：1K 的溫度差對應頻率約為 21 GHz 的波段）
量子位元之間的溝通需要對的頻率
2023 年，中研院首度自行研發和打造出五位元超導量子電腦。柯忠廷解釋，五位元電腦的重要突破點，在於「它們是可以耦合的」，也就是能互相溝通、連動。「如果它們互相不能耦合，那就算做出 1000 個位元，也沒有意義。」柯忠廷說。
那麼，要怎麼做出可以耦合的位元呢？彼此耦合的位元，能階的分布也要非常相近，操控時使用的能量頻率相近，才能彼此溝通。柯忠廷形容這就像頻率相近的朋友，比較容易對話聊天一樣。
換言之，我們必須以非常高的製程精準度，做出五個幾乎一樣的量子位元。具體來說，就是在約瑟夫森接面裡的絕緣層厚度，必須非常均勻一致，因為絕緣層厚度會影響能階大小。
柯忠廷解釋：「絕緣層（氧化鋁）的厚度只有 1 至 2 奈米，要小心翼翼地控制氧化過程，就連氧氣的濃度都必須很均勻，否則哪一區域稍微多氧化了一點點，厚度就有差異了。」成功製作出五位元量子電腦，就代表中研院團隊有能力精準控制量子位元的結構與能階，讓它穩定地運作。
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好好溝通但是不能吵到別人：可調變的量子位元
柯忠廷與量子團隊的野心還不只如此。在設計一個量子位元時，他們放入了兩個連結在一起的約瑟夫森接面。
「我們希望做出『可調變』的量子位元，頻率不是固定的，可以調變。」柯忠廷說：「把它們的頻率調靠近時就可以溝通，頻率拉遠，就不會互相干擾。」換句話說，量子位元之間要不要耦合，也是可以控制的。
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如果量子位元就是複製貼上，每個都長得完全一模一樣，他們就會「聽到所有的訊號」，無法彼此隔絕。但理想的狀況是，「我們希望它們能有選擇性地交流。」柯忠廷說。
在後續的設計中，柯忠廷與團隊還進一步加入了「耦合器」。例如，同樣是五位元的量子電腦，但是每個位元之間還分別放入了一個耦合器，它就像是一面可以控制的隔音牆，想讓位元之間溝通時就打開，反之就關起來。柯忠廷解釋說，這個隔音牆對量子位元的保真度非常重要，因為它能避免訊號「走漏風聲」，對隔壁的位元造成干擾。在耦合器的幫忙下，量子位元的錯誤率可以大幅降低。
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製造乾淨的約瑟夫森接面：引入臺灣半導體製程技術
柯忠廷表示，臺灣在半導體製程上，累積了非常豐富的經驗。中研院製造的量子位元，也開始引入半導體製程技術，可以在晶圓上一次製造出許多個位元，而且相當平整均勻。
例如，中研院與工研院共同開發了 Window Junction 製程，用二氧化矽來取代難以清洗的傳統光阻，保護下層的金屬結構。最後，這層保護用的二氧化矽可以被移除得非常乾淨，留下「鋁—氧化鋁—鋁」的三明治結構，也就是量子位元中的約瑟夫森接面。
Window Junction 製程簡單來說，就是在矽基版上打地基，先鋪下層的鋁金屬，然後搭建鷹架，在上面鋪一層厚厚的二氧化矽。接著在二氧化矽中間挖一個非常精準的小洞通到下層鋁金屬。然後是最重要的，先清洗下層鋁金屬表面，再通入氧氣，製備純淨的氧化鋁。
接著，迅速把上層的鋁金屬鋪上去，曝光成特定圖案。上層鋁金屬會從那個小洞，跟氧化鋁接觸。最後，再用氫氟酸氣體，把所有的二氧化矽吃掉。乾淨的約瑟夫森接面就完成了！
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以臺灣的製程能力，現在 5 位元已經提升到 20 位元，理論上要提升到 100 位元似乎指日可待？不過，量子晶片的製程和半導體晶片還是很不一樣。重要的是，如何設計量子位元的細節，例如頻率如何配置、位元之間的耦合強度等。如果設計不良，位元之間的耦合太強，可能導致位元一下子就被干擾、衰變。
舉例來說，為了增加量子位元的數量，未來可能要用堆疊的方式，讓線路可以上下穿越或繞道，但是量子位元很敏感，這些動作很可能會造成額外的干擾。在半導體晶片製程中，重點是讓製程盡量簡單、省錢、有效率，但量子晶片更重視「互不干擾」，有可能為了這個目的，必須增加額外的設計。
柯忠廷說，耦合是矛盾的存在——我們需要它，但又怕它太強，他笑著形容：
要控制這些「愛講話的小朋友」（量子位元）不要講話，確實要花不少功夫。
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替臺灣在量子世代踏出重要的一步！
近幾年，Google、IBM 等領先世界的量子電腦研發團隊，不斷在發表各種突破性成果，把量子電腦的位元數量往上推、錯誤率往下壓。從歐美各國到中國，對量子電腦的發展都相當重視，投入龐大的人力與資金，團隊動輒好幾百人，「而我們是連 30 人都不到。」柯忠廷笑著說。
在這種關鍵時期，中研院已經展現出臺灣擁有自主製造達 20 位元超導量子電腦的能力，讓我們在量子世代向前踏出重要的一步。柯忠廷謙虛地說：「我們不能算是苦苦追趕，但也還沒到領先集團。」
利用臺灣半導體製程的經驗，在材料純淨度以及製程科學的相輔相成下，目前中研院的單一量子位元可以達到的最高相干時間（Coherence Time）是 530 微秒。相干時間就是量子位元可以維持在所設定的狀態時間長度，代表在超導量子位元的製作上已達國際水準。
臺灣要投入多少資源到量子電腦發展，沒有一定答案，而先進國家趨勢已經非常明顯。「各國確實愈來愈重視量子電腦。半導體終究會遇到極限，量子電腦可能是未來方向。」柯忠廷強調，具備自我研發和製造的能力仍然非常重要。「我們無法預測未來，但現在應該先把基本能力準備好，不要與世界完全脫鉤。如果有一天臺灣企業要轉型、製程要往這方面發展時，至少我們已經有了基礎。」
