量子位元的應用原理與發展

圖一 : 量子位元運作的虛擬圖示

【作者： 黃弘毅】

在還沒有量子位元的概念之前，很早就有量子電腦發展的其它模式或雛形。1981年Richard Feynman提出經典電腦難以模擬量子系統的行爲，因爲量子態是指數級增長的。他認爲要模擬自然界的量子現象，需要用量子規則來建造電腦，雖然他沒有提出 qubit，但這個想法是量子電腦理論的根基。

傳統電腦是以一個電晶體來執行一個邏輯運算，就是所謂的位元(bit) ，目前在奈米尺度以上都很穩定可控制，但只能做爲線性有限度的運算。以量子位元(qubit)來做爲控制方式的量子電腦則是完全不一樣的概念，專家學者認爲未來的量子科技可能成爲二十一世紀工業發展的核心，所謂量子科技就是如何操控單個原子，單個電子及單個光子的量子態行爲，而量子位元（qubit）是基於量子力學疊加與糾纏原理的邏輯資訊單元，可用於實現非傳統的平行計算與複雜系統模擬。

模擬架構與邏輯系統

圖二 : 不同於傳統的電腦位元，量子位元包括多種核心量子特性。

量子位元的運算能力主要仰賴量子疊加（superposition）與量子糾纏（entanglement）兩個關鍵原理。經典位元僅能表示0或1兩種明確的狀態，而量子位元卻能同時處於0和1的疊加狀態，直到被測量後才坍塌成某一個具體狀態。這種特性使得量子系統在計算過程中可以同時處理大量的可能性，從而實現指數級的計算效率提升。在邏輯架構方面，量子位元使用特殊設計的量子閘（quantum gate）進行運算，如Hadamard閘可以將量子位元置於均衡的疊加態，而受控非閘（CNOT gate）則用於兩個位元之間建立量子糾纏，構成複雜且完整的量子邏輯運算系統。

應用這些原理，可以實現某些特定問題的超快速運算，如：

‧ Shor演算法（質因數分解）

‧ Grover演算法（搜尋）

‧ 模擬量子系統（例如材料設計、藥物發現）

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2025.07(第404期)量子運算蓄勢待發