前言：2025量子年的歷史時刻
2025年在人類科學進程中具有特殊象徵意義，被正式定名為「國際量子科學技術年」（International Year of Quantum Science and Technology）。這不僅是為了紀念量子力學建立百年的重要里程碑，更代表人類社會正在從量子理論的探索階段邁向大規模技術應用的關鍵轉折。在這樣的背景下，諾貝爾物理獎的揭曉顯得格外引人注目——今年的獎項授予了三位在超導量子領域深耕數十年的重要科學家：約翰．克拉克（John Clarke）、米歇爾．德沃雷（Michel Devoret）以及約翰．馬丁尼斯（John Martinis）。他們因在1980年代中期完成一項極具開創性的實驗而獲獎，透過低溫電路觀測到「宏觀量子穿隧」與「能量量子化」現象，證明由龐大電子組成的宏觀電路系統也能展現量子特性。這項成果徹底打破了微觀與宏觀之間的概念鴻溝，為今日超導量子電腦蓬勃發展奠定了不可撼動的物理基礎。
這三位科學家的研究成果不僅是物理學史上的重大突破，更是一段理論與工程交匯的科學故事。如果回溯量子力學的發展脈絡，從二十世紀初愛因斯坦、玻爾與薛丁格等人提出抽象理論，到今日量子技術走出實驗室、進入雲端與產業，便能看到知識如何從純粹的思辨逐漸轉化成具體的技術工具。2025年的諾貝爾獎恰好捕捉到這個轉型的精髓，也引導大眾重新思考量子世界如何逐步融入人類生活。事實上，量子電腦已開始影響材料、醫療、化學模擬與人工智慧等領域，其潛在的社會變革規模遠超人類過去所見。
一、突破疆界：當「巨型物件」呈現量子特性
在傳統的物理認知中，量子效應通常被認為侷限於極微觀的尺度，例如單個原子、電子或光子。當物體尺度擴大到肉眼可見或微米等級時，環境的擾動通常會使量子特性迅速消失。然而，克拉克、德沃雷與馬丁尼斯在1984至1985年間發表的一系列論文，徹底顛覆了這個觀點。他們的實驗證明，即使是宏觀系統，也能在特定條件下展現出量子力學的奇妙特性，這開啟了量子工程的新時代。
他們實驗的核心是一種被稱為「約瑟夫森結」（Josephson junction）的特殊結構。這是一種「超導／絕緣／超導」的三明治夾心結構，其尺寸約為數十微米（µm）。圖一顯示一個現代版的約瑟夫森結，這是現在超導量子電腦的基本建構單元。如圖二所示，約瑟夫森結的基本原理源自於超導現象，當溫度降至低於超導轉換溫度時，材料進入超導態。此時，金屬內數以兆計的自由電子會兩兩配對，形成所謂的「庫柏電子對」（Cooper pair）。這些龐大數量的庫柏電子對會凝聚成單一的宏觀量子態。透過厚度僅1～2奈米的絕緣層，庫柏電子對的波函數可以發生「穿隧效應」，讓兩側電極的電子凝聚體產生關聯，形成「穿隧電流」。與一般電阻不同，約瑟夫森結的電流與電壓關係是非線性的。這種非線性特性可以被模擬為一個有效的「非線性電感」，與結構本身的電容結合後，形成了一個非線性振盪器。這使得約瑟夫森結成為探索宏觀量子現象的理想平臺。
圖一、一個約瑟夫森結的結構: (a) 製作在矽基板上的約瑟夫森結的電子顯微鏡相片。十字型兩條鋁線的交叉點為上下層立體結構。(b) 切面結構示意圖，中間綠色的部分為氧化鋁。(c) 穿透式電子顯微鏡相片顯示夾在兩層鋁中間極薄的氧化鋁層。(相片來源：中研院量子電腦專題中心)
圖二、約瑟夫森結: (a) 示意圖。兩塊超導體以一極薄結緣層隔開。超導體內部分電子形成庫柏電子對，並可穿越結緣層。兩邊超導體內之庫柏電子對有超導凝聚態相位，分別為j1與j2。(b) 電流偏壓約瑟夫森結的等效電路圖，可以簡化為一個平行板電容器並聯一個由穿隧效應引起的非線性電感。 (c) 電流偏壓的約瑟夫森結在位能井中的能階示意。當照射能量等於能隙大小的光子時，約瑟夫森結儲存的能態可以從基態 E_0躍遷到第一激發態 E_1。不論是在哪一個能階，約瑟夫森結儲存的能態皆可以穿隧至相鄰位能井並產生電壓。
正是因為這種非線性，約瑟夫森結展現出了與原子極為相似的特性：其能量能階是「離散」且「不等距」的。物理學家因此將其暱稱為「人造原子」。為了證明這些能階確實存在，三位科學家參考了光譜學測量氫原子的方法。他們對約瑟夫森結施加微波照射。當微波頻率與能階間距匹配時，會引發「量子躍遷」。原本處於零電壓狀態的約瑟夫森結會突然產生可觀測的電壓訊號。這項實驗成功觀測到了「宏觀量子穿隧」，證明大量電子組成的系統也能展現量子力學的離散特性。這一發現不僅驗證了量子力學在宏觀尺度的適用性，還為後續的量子計算提供了堅實的實驗基礎。
要理解這一突破的重要性，我們可以回顧量子力學的歷史。早在1920年代，量子力學就預測了穿隧效應，但當時僅限於微觀粒子，如電子穿過勢壘。克拉克等人的工作將這一效應擴展到由數十億電子組成的宏觀系統，這挑戰了經典物理學的邊界。想像一下，一個由人類製造的電路元件，能像自然界的原子一樣擁有離散能階，這不僅是技術上的創新，更是哲學上的啟示。它提醒我們，量子世界並非遙不可及，而是可以透過工程手段被捕捉和操控。事實上，這項實驗的成功也激發了後續的研究熱潮，許多科學家開始探索如何在其他材料系統中實現類似的量子行為，從而拓寬了量子技術的應用範圍。
二、從物理發現到運算革命：超導量子位元的建構
一旦證明了電路可以擁有離散能階，下一步便是將其轉化為計算單元——量子位元 (Qubit)。這一轉變標誌著從基礎物理到應用技術的躍進，開啟了量子計算的革命時代。在傳統電腦中，資訊由 0 或 1 組成的位元表示。而在超導量子電腦中，人造原子的基態（最低能階）定義為 $|0\rangle$，第一激發態則定義為 $|1\rangle$。透過微波脈衝的精確控制，我們可以讓量子位元在 $|0\rangle$ 與 $|1\rangle$ 之間震盪。就像一枚在桌面上旋轉的硬幣，在停止旋轉前，它同時處於正面與反面的「疊加態」。這種疊加性是量子計算的核心優勢，能夠並行處理大量資訊，從而解決經典電腦難以應付的複雜問題，如藥物模擬或優化算法。
一個合格的量子位元必須具備可區分的狀態、可操控的雙位元糾纏、以及可靠的讀取機制。約瑟夫森結完美地滿足了這些科學與工程要求。它不僅提供了穩定的能階結構，還允許透過外部場進行精準操控。這一機制讓量子位元從理論概念變成可操作的元件，為大規模量子處理器鋪平了道路。
將「人造原子」變成一臺運作中的電腦，涉及極為複雜的系統整合。如圖三所示，為了增加靈活性，工程師常將兩個約瑟夫森結並聯，形成「超導量子干涉元件」（SQUID）。這使得量子位元的頻率可以透過磁場進行動態調整，並作為位元間的「開關」或耦合器，是實現高速邏輯閘的關鍵。超導位元通常與「共平面讀取共振腔」耦合，透過觀察微波在共振腔中的反射或透射變化，科學家可以像讀取儀表板一樣，得知位元目前的量子態。這一切精密操作必須在「稀釋製冷機」中進行，它以氦四氦三為冷媒持續進行循環及絕熱膨脹降溫，可維持在約10 mK（約-273.15°C）接近絕對零度的低溫，以徹底隔絕熱擾動對量子相干性的破壞。
圖三、超導量子晶片的部分照片：(a) 製作在矽基板上的一個量子位元以及其兩邊的耦合位元，量子位元與耦合位元都是單邊接地的形式，所有的金屬材料都是鋁。中間十字型結構及兩邊倒F結構分別是量子位元及耦合位元的電容板。(b) 在電容板與地之間就是兩個並聯起來，十字型結構的約瑟夫森結。(a)與(b)相片不是同一元件，因而細微結構稍有不同。(相片來源：中研院量子電腦專題中心)
在工程實作中，量子晶片的設計還需考慮可擴展性。早期的量子位元如Charge Qubit容易受噪聲影響，後來發展出的Transmon Qubit透過優化電容和電感比例，大幅提高了相干時間。量子位元容易與晶片上其周遭的二能級系統(two-level system)產生共振，造成位元能量的耗散。而二能級系統常存於材料間的介面或非晶態的材料表面，量子晶片的製造過程雖類似於傳統半導體晶片，但在蝕刻、清洗時需要嚴格管控材料表面的雜質與晶格完整性，以避免二能級系統的產生。目前，Google和IBM的量子處理器已能整合數百個位元，但挑戰在於如何維持它們的同步和穩定。想像一下，一塊指甲大小的晶片上，佈滿數千個約瑟夫森結，每個結都需獨立控制，這要求極高的精密製造工藝。
邏輯閘是經由提供量子位元奈秒等級的直流脈衝及微波脈衝序列完成的，例如，如圖四所示，Hadamard 閘是將一個位元從 $|0\rangle$ 或 $|1\rangle$ 帶到重疊態 $(|0\rangle \pm |1\rangle)$ 或 $(|0\rangle \pm i|1\rangle)$ 的單一位元邏輯閘，它也可以反向的將位元從重疊態帶回 $|0\rangle$ 或 $|1\rangle$。CNOT 閘 (Controlled-NOT) 允許一個位元控制另一個位元的翻轉，這是重要的雙位元邏輯閘，也是產生糾纏態的基礎。透過精確設定的直流脈衝及微波脈衝序列，我們可以編程複雜的量子算法，如 Shor 算法用於分解大數，或 Grover 算法用於資料庫搜索。這些算法的潛力巨大，能在幾秒內解決經典電腦需數千年才能完成的任務。
圖四、(a) 以立體球表現 $|0\rangle$ 與 $|1\rangle$ 的組合，如果把這球想成是地球，那我們可以定義北極為 $|0\rangle$，而南極為 $|1\rangle$。位於赤道上的都是 $|0\rangle$ 與 $|1\rangle$ 機率各半的重疊態，而操作上我們定義東西南北為相位差 90° 的四種重疊態。(b) 產生重疊態的最基本邏輯閘稱為 Hadamard 閘，重複實施 Hadamard 閘可以於 $|0\rangle$ 與 $|1\rangle$ 與重疊態做任意變換，以紅色實線與點線表示。
儘管進展迅速，但超導量子電腦尚未達到大規模商用化，主因在於「脆弱性」。隨著位元數量增加，交叉干擾（Crosstalk）、頻率擁擠以及電磁環境管理變得極其困難。實際操作中，噪聲和錯誤率仍是障礙。這些問題會導致錯誤率上升，破壞計算的可靠性，「量子錯誤校正」（QEC）與即時校準技術也成為不可或缺的技術。QEC透過冗餘編碼，將邏輯位元映射到多個物理位元上，從而檢測和修正錯誤。只有當我們能穩定控制數百至數千個高相干位元，並能修正運算過程中的錯誤時，才能實現真正的「容錯量子運算」。
三、多元量子平台的並進發展
儘管超導量子位元技術因其可微影製程及可擴展性而進展迅速，但世界並未因此形成單一路徑。現今量子計算領域呈現多平台並行競逐的格局，各自發展出不同的優勢與應用場景。例如中性原子與離子阱平台利用原子或離子作為位元，具有極長的相干時間，在量子模擬方面特別突出；光量子平台則能在室溫運作並具備天然的網路傳輸能力；自旋量子平台則可受惠於既有的半導體製程，展現強大的整合潛力。未來量子電腦甚至可能採取異質整合方式，結合不同平台的優點共同協作。
量子計算的應用領域也正在迅速擴張。透過量子模擬，我們有機會加速藥物分子與材料結構的探索；透過量子優化，產業可改善物流、金融風險與能源配置；透過量子與人工智慧的結合，更能提升AI的搜尋效率或模型訓練速度，創造新的運算模式。然而這些技術潛力同時伴隨風險，例如量子計算可能破解現行加密系統，使資訊安全面臨威脅，因此政府與企業必須提前布局後量子密碼系統，確保科技發展不對社會造成負面衝擊。
四、諾貝爾得主小檔案與台灣的量子情緣
三位得主的學術軌跡恰好構成了一條從基礎物理邁向尖端科技的完整科研路徑。克拉克任教於加州大學柏克萊分校，是宏觀量子實驗的開創者，率先建立以電路探測量子效應的實驗平台。他原本研究低溫物理，後逐步轉向超導電路，為德沃雷的研究奠基，也培養出包含德沃雷在內的一批後輩人才。德沃雷則兼具理論深度與工程實力，主導開發出包括Transmon在內的多種關鍵量子位元技術，如今則領導Google Quantum AI團隊，推動量子優勢的實現。馬丁尼斯則以連結學術與產業著稱，他參與早期實驗，是引導超導系統走向電腦架構的重要人物，並率領Google於2019年完成「量子霸權」實驗，引起全球科技界注目。
值得台灣讀者關注的是，馬丁尼斯教授與台灣有著深厚的科研淵源。他曾擔任中央研究院量子電腦計畫的顧問，並與工研院及國研院半導體中心合作，利用台灣引以為傲的半導體晶圓製程，打造出高品質、具備可擴充性的超導量子位元。這一合作不僅提升了台灣的量子研發能力，還帶來技術轉移，如先進的半導體製程應用於量子晶片。克拉克與馬丁尼斯也曾多次造訪台灣，對這片土地的風景與文化留下了深刻印象。例如，馬丁尼斯在訪台期間趁週末到台北近郊登山，也到太魯閣旅遊，讚歎台灣的科技、人文平衡以及獨特的自然風景。台灣陸續提出自製的超導量子處理器，並在量子電腦發展迅速，與馬丁尼斯的情緣不僅是個人連結，更是台灣量子崛起的象徵。
五、結語：通往未來的量子之路
回顧這段科學歷程，從1980年代的約瑟夫森接面實驗，到今日可透過雲端調用的量子運算資源，其進展建立在低溫物理、電機工程、材料科學與量子資訊等多領域融合之上。未來，隨著製程、封裝、控制與程式技術的進步，超導量子位元將會更加成熟，商用化的量子電腦也將逐步走向可用。雖然距離真正的容錯量子計算仍有距離，但錯誤校正技術的每日進展正在持續降低可用門檻，我們也有理由期待量子計算將在氣候模擬、AI優化、醫藥研發與金融風險分析等重大議題中發揮作用。同時，各國亦需重視量子教育與人才培養，確保這場科技革命具備永續發展的基礎。
從微觀理論到宏觀應用，量子之路充滿挑戰也充滿驚喜，而2025年諾貝爾物理獎的頒發，不僅肯定了三位科學家的卓越成就，更可視為整個量子資訊領域的集體勝利。它告訴我們，量子世界已不再只是自然賦予的抽象法則，而是可由人類理解、設計與掌控的技術資源，並正引領我們走向一個由量子算力塑造的新時代。
