這是 IBM Q 的量子電腦系統核心。運作時，稀釋製冷機能降溫到 -273.135 °C（幾乎接近絕對零度），用來維持超導 qubit 的穩定狀態。這樣的極低溫環境，確保電流在晶片上無阻傳輸，避免量子訊號因熱擾動而退相干。
大家早安，今天我們來談談量子電腦。這個主題經常被描繪得神祕又高深，讓人覺得它遙不可及。但若能先抓住幾個核心概念，就能快速建立理解的基礎，也能避免常見的誤解。本文的目標不是去追逐最前沿的技術細節，而是先打開一扇入口，從最基本的語言開始認識量子計算的邏輯。
六個關鍵字
要進入量子電腦的世界，可以先掌握六個詞彙，它們就像是整個領域的地基。
- Qubit（量子位元）：量子電腦的最小資訊單位，可以是 |0⟩、|1⟩，也可以是兩者的疊加。
- Superposition（疊加）：qubit 能同時處於多種狀態，這不是同時完成所有運算，而是提供演算法設計干涉機制的空間。
- Entanglement（糾纏）：兩個 qubit 之間能形成強烈的關聯，測量一個就能立刻決定另一個的結果，無論它們相隔多遠。
- Quantum Gates（量子邏輯門）：操作 qubit 的工具，用來旋轉或翻轉量子態，例如 Hadamard 或 CNOT。
- Measurement（測量）：當 qubit 被觀測時，它的疊加態會隨機坍縮成 0 或 1，機率由量子態本身的數值決定。
- Decoherence（退相干）：環境干擾會讓疊加或糾纏迅速消失，這是目前量子電腦工程實作的最大瓶頸。
但在量子電腦裡，n 個 qubit 就好比這些開關可以同時半開半關，於是能夠同時攜帶 2ⁿ 種組合的可能性。這讓量子電腦不再只是單一路徑的選擇，而是進入一個多重舞台一起存在的空間，演算法就能在這些舞台之間設計干涉，讓正確答案被放大、錯誤答案互相抵消。
Dirac 表示法與 ket
Bloch 球（Bloch sphere）是用來視覺化 qubit 狀態的一種工具。 在數學上，一個 qubit 的狀態可以寫成： ∣ 𝜓 ⟩ = x ∣ 0 ⟩ + y ∣ 1 ⟩ 。 這個條件代表 qubit 的所有可能狀態可以被想像成單位球面上的一個點，這個球就是 Bloch 球。
要理解 qubit 的數學形式，必須先認識 Dirac 表示法。這是一種由物理學家 Paul Dirac 創建的數學語言，用來描述量子態。
- Ket |ψ⟩：代表一個量子系統的狀態向量。
- Bra ⟨ψ|：是這個向量的共軛轉置。
- 內積 ⟨ψ|φ⟩：代表兩個狀態之間的關聯。
在量子電腦裡，最基本的 ket 狀態是 |0⟩ 和 |1⟩，它們對應於 qubit 測量後可能的結果。但 qubit 並不是只能存在於這兩種基礎狀態，而是可以處於 X|0⟩ + Y|1⟩ 的組合態，其中 X 和 Y 是複數，並且滿足 |X|² + |Y|² = 1。這些複數的大小和相位決定了 qubit 被測量後輸出 0 或 1 的機率。
bit 與 qubit 的比較
傳統電腦的 bit 和量子電腦的 qubit 在符號上看似相似，但本質差異極大。
- bit：只能在某一時刻是 0 或 1。
- qubit：在未測量之前，處於 X|0⟩ + Y|1⟩ 的疊加態，測量後才隨機坍縮成 0 或 1。
當系統擴展到 n 個 qubit 時，它不只是單純的 2ⁿ 種組合，而是這些組合的線性疊加。換句話說，量子電腦的計算並不是在單一路徑上前進，而是在一個高維度的狀態空間中設計干涉與旋轉，最終把解導向更高的測量機率。
