(本主题数据全部来自互联网络)
13.1 电子通讯与运算极限
电子运算设计基于林布二元代数学和电子逻辑闸，以 (0 1) 二进制元编码运作。0态设定为0 V，1态为5 V。 二进2 bit，即 (0 1) 有22种可能性 (0 0)、(0 1)、(1 0) 和(1 1)、二进4 bit有 24种可能性、二进8 bit 有 28，二进16 bit有216，如此类推。现今桌上电子计算器可处理 64 bit数据。重温主题 9.2。指令周期取决于两个因素：(i)讯息传输速度和 (ii)讯息处理速度。现有的超级电子计算器 (用于模拟核分裂、AI智能大数据等领域) 指令周期大都可以达到每秒一兆 (万亿，或1012) 次以上，内藏超过一千万颗核心处理器。
每次基础运算都基于电子逻辑闸开和关，要耗时间和电力，两者都极为微小。运算过程不可逆，0 就是 0，1就是1，有确定性，只可以取 (0) 态或 (1) 态运作，(0) 态和 (1) 态不可以共存。就算以芯片纳米技术和石墨稀超导电等物料工艺不断发展，(0 1) 二进制元电子计算器指令周期始终是有极限的，樽颈位在于每一基本运算都要求电子逻辑闸开或关，虽然需要极少时间，但实际上，不可能降至0秒。
电子运算也要面对加密问题和病毒风险。
13.2 量子通讯与计算
(i) 量子通讯
无线电子通讯之载体是电磁波。字讯号经调变后传送，发射者传出和接收者获取同一讯号。若发射者把讯号加入密码，接收者获取了加密讯号后，就算没有密码，也不排除解除密码之可能性，还原讯号。因为自己既可加入，并不等于只有自己才可以提取，别人也有机率可以提取，也可以是逆向的。因此加密之数字通讯不是绝对安全。当然加密关卡越复杂，成功解密困难越大。
量子通讯不需要电磁波载体，量子通讯是利用光子 (photon) 的量子纠缠原理。不像电磁波，光子是一种基本粒子，具有基本粒子的特性如自旋和不确定性。光子迁移没有像电磁波受制于波长和频率关系因素 (频率 = 光速/波长)。光子可以如“时间隧道”般以光速定向到位。量子纠缠通讯方法是把一对携带讯息的纠缠光子分开来，将其一光子发送到特定的位置。若产生之纠缠光子对总自旋为零，同一轴一端带讯息光子为顺时针，另一端带讯息光子必为逆时针，即接收端光子讯息只有你才知悉。理论上说，加密的纠缠光子别人不可以译码，因为密码和译码都源自你手中。量子通讯原理是个崭新概念。
现时可实践之量子通讯传输还在发展中，实时运作原理也超越笔者认知能力，只可以从网络数据得出这科技五大要点：
(i) 有别于电子数字通讯之实质0和1态，量子通讯0态和1态可同一时间共存 (量子迭加，quantum superposition)，有不确定性，可以是0态或1态、
(ii) 现时实践之通讯技巧为量子纠缠 (quantum entanglement)、
(iii) 加密之讯息论上不可以被破解、
(iv) 量子通讯的线路时延可以为零，即通讯速度与双方之间的距离无关，是最快的通讯方式和
(v) 点对点通讯。
2016中国成功发射墨子号量子科学实验卫星，进行了地域-太空-地域远距离量子通讯。
(图349) 中国墨子号卫星首次实现1200公里量子纠缠通讯
现时应用量子通讯技巧还处于发展阶段。上网可搜集一些大方向数据，但技巧细节是不会公开的，因为关乎国家级军事极端机密。可以想象，不同一般点对点车辆移动，量子通讯有如科幻小说之 “时空穿梭” 。
(ii) Quantum computation
经过50多年的飞跃发展，数字移动通讯和电子数字运算将来会不会再有新的突破？其实突破空间是越来越少的，因为电子逻辑闸开和关之时间是个樽颈位，不可以现有工艺技术将它变为零 (超导除外)。自然地人们会想起弃用电子逻辑闸开关机制只局限于 0 态变为 1 态或1态变为 0 态才可以进行运算。因此科学家已把未来运算科技重点放在另一崭新方向 – 量子运算。
量子运算 (quantum computing) 现时还在萌芽时期，理论和实践 (不仅限于实验室，民/商/军一样可用) 还有一段颇远距离。不过顾名思义，量子运算基于量子概念，而量子概念核心原则是「不确定性」(Principle of uncertainty)。笔者虽然对量子力学知晓甚少，但联想到电子数字运算之0态 (0 V) 和1态 (5 V) 只可取其一，由0变 1 或1变 0才可以运算而导致成为指令周期之樽颈位。量子运算概念则基于0态可以是1态，1态也可以是0态。0态可以运算，1态可以运算，界于0和1态之间也可以运算。就是这「不确定性」和概率范畴科学家提出了新量子运算概念「Qubit」位或量子位。
实用电子运算之输入态和输出态都是传统载体脉冲讯号0/5 V。执行软件程序令0/5 V变换，精准地启动硬件各埠口进行运算。编码程序不可以0 态 (0 V) 或 1 态 (5 V) 运算，要从0 V转到 5 V或从 5 V 转到 0 V 才可以运算。以数学范畴说，电子运算之0态和1态源于 「正交」 态 (orthogonal state)，即1态 和0态互不相关 或 只容许1态 或0态 或一位 (1 bit)。量子运算输入态和输出态没有载波媒体，但以电磁波之粒子，即光子或电子，之自旋 (spin) 或偏振 (polarization) 作 「本征态」 (eigen-state) 线性组合 (linear combination) 或称作 「迭加」(superposition)，产生所有可能的变换，以复数 (complex number) 或实数表示。 (0/1) 迭加态变换相互之间不「正交」。0 态可以运算，1 态可以运算，(0/1) 迭加态也可以运算，这种崭新运算位叫 「Qubit」，量子位元。
结果 2 qubit 可以同时进行22 种运算，不像现时电子运算二输入2 bit 只可取 (0 0 )，(1 0 )，(0 1 ) 或 (1 1 ) 其中一态才可以运算。现时电子运算之64 bit 字节有 264，或1.84 x 1019 次可能性运算，但不是说同一时间可以进行264次二元运算。计算器内部处理数据以字组 (word) 为单位。一般字组长2 byte，即16 bit。64 bit PC 可同一时间处理4字组或其他组合，若同时考虑硬件中央处理器之时钟速率限制，实则速率远远少于264次运算。量子运算次数为2n Qubit，即50-qubit量子位计算器可同一时间作250 或1.13 x 1015 次运算。现时认为有经济效益之量子计算器标准应可处理起码50-Qubit、双量子位错误率要低和可抗噪音等干扰导致数据流失。.
An introduction to quantum computing
The mathematics of quantum computers
2011年 加拿大 「D-Wave 系统公司」 采用「量子退火」 (Quantum annealing) 技术，发布了一款号称「全球第一款商用型量子计算机」的计算装置「D-Wave One」。随后和 NASA和 Google 共同宣称研发 「D-Wave Two」量子计算机。不过两者之表现不比传统电子计算器优越，远低于期望。2019 IBM 发布了全球第一座商用量子计算器 「Q System One (图350)」。不过其体积过于庞大，要用超低温超导，运算之量子位元只有20-Qubit，远低于有经济效益之50-Qubit以上。
若想从互联网获得多点有关量子计算词汇数据和应用情况，可试试以下各关键词： 「量子霸权」，「量子优势」，「光子玻色取样」和「超导量子位取样」。 后二者是目前研发量子计算方向。
后记 (讯息来自互联网) ：自 2019年起， 两种量子运算原型，分别基于「超导量子位取样」和「光子玻色取样」技术，各自挑战向「量子霸权」之寻求。
(i) 2019 Google 发表采用「超导量子位取样」技术量子运算原型 「悬铃木」(“Sycamore”)，利用53量子位处理器从量子随机抽样挑选某一任务之最大机率结果。「悬铃木」指令周期超越当时最快超级计算机可处理之最快速度。Google 取得「量子霸权」第一回合领先地位
(图350) 2019 IBM「Q System One」
(图351)「悬铃木」量子位处理器
「九章」 取得 「量子霸权」
(ii) 由潘建伟和陆朝阳教授领导之中国科学技术大学研究团队于2020采用「光子玻色取样」 技术设计之量子运算原型「九章」(“Jiuzhang”) 以76光子取样完成一特定量子任务 (有别于「悬铃木」完成之任务) 。「九章」之指令周期超越世界最快超级计算机日本「富岳（Fugaku）」完成相同任务之速度，也打破「悬铃木」之速度记录。至此，「量子霸权」第二回合宣布易手。
(图352 )「九章」量子运算原型
(iii) 2021年潘教授团队也采用「超导量子位取样」技术作量子运算，宣告制成双粒子62 量子位可编程处理器原型「祖冲之号」。于0 K下之不同自旋电子对，视为一实体双粒子(Cooper pair，spin-singlet)，特性一如玻色，上网查阅。
(图 353)「祖冲之号」量子计算器原型
与Google 53量子位商业就步之「悬铃木」处理器比较，「祖冲之号」原型还要进一步开发才可以在「量子霸权」领域保持一席位。
(iv) Qiskit: Qiskit为一开源码研发套件 (SDK) 提供量子计算器软件编程公开平台。Qiskit提供创意工具，转化现有程序语言为可处理量子计算器软件。起始版本基于Python程序语言，但很快便变为更开放源码，并没有标准化。主要因为商用量子计算器还处于开发阶段。
(v) 以上量子计算器原型用不同技术和工艺，也分别处理不同任务先后达致「量子霸权」。量子计算器原型终极挑战将会是建造一台可进行量子算法 (quantum algorithm) 机器，输入编码程序作量子运算。预见会是一座大型设施取代以电子逻辑闸建构之超级计算机，演算模拟核裂变、模拟核聚变、模拟分子动态 (药物创新)、AI区块链、编码破解等范畴，运算能力需要达每秒千千兆次(~1018，Quintillion) 。人类也许要多数十年努力才可以实现用家计算器量子化。
13.3 主题总结
Binary Boolean algebra 开启了电子逻辑闸 (logic bit) 应用和数字电子技术，从而研发电子计算器，是STEM一个非常成功的例子。基于量子力学 (Quantum Mechanics) 和线性代数 (Linear Algebra) 基础而提出之 (qubit) 理论和开发，可否发展为实用量子计算器？会否是STEM另一更加重要之成就？
有关电子 vs 量子通讯与计算，大概有以下简单总结：
| 通讯技术 | 计算技术 | ||
电子 | * 固网和无线通讯技术都成熟。 * 固网由模拟进展至数字光纤宽带，尤其 ”人与讯息” 通讯以互联网发展最为突出。 * 无线数字通讯技术由2G发展至现时之5G。 * 未来之6G通讯将以大数据、人工智能和万物互联网 (IoE) 为主要应用。 | *上世纪60年代开始商用和民用电子逻辑闸硬件和软件运算。 *电子数字计算功率决定于速度和记忆储存量。后者近数十年以摩尔定律飞跃发展，尤其闪存 (Flash memory) 之崛起令一块细小micro-SD卡可储存数十至数百GByte。 * 移动通讯硬件和软件之飞跃发展令今天之智能手机功能和桌上电脑有过之而无不及。 | |
量子
| * 理论和技术还在发展中。 * 现时可实践之科技只有量子纠缠 (quantum entanglement) 可作远距离通讯。 * 加密之量子通讯数据理论上传输时不可以被破解。 | * 理论与技术处于起步阶段。电子逻辑闸概念或许不会用于量子计算，但也有兼容需要，逻辑闸概念和崭新量子计算概念一起发展。 *起码要用十年以上时间才可民/商定型。 * 量子计算功效与电子计算功效属于不同层次，量子计算功能远超电子计算。 |
后记:
2020 一月，自然期刊 不约而同发表了三篇论文有关硅基量子计算：(i) Precision tomography of a three-qubit donor quantum processor in silicon | Nature， (ii) Quantum logic with spin qubits crossing the surface code threshold | Nature 和 (iii) Fast universal quantum gate above the fault-tolerance threshold in silicon | Nature。揭露有科学家们正研究另一途径开发量子计算。 因此，目前可以说除了采用「光子玻色取样」和「超导量子位取样」 研发之量子计算技术，硅基量子计算技术也可进行量子级数据处理。
13.4 一台经济实惠的初学者级量子计算器——SpinQ Gemini
2022 年，中国深圳推出了一款商用迷你量子计算器 SpinQ Gemini，非常适合初学者了解和应用量子计算的基本原理。
该机器使用成熟的NMR（核磁共振）技术来操控1H和31P的核自旋，实现2量子比特的量子计算平台。以下文章全面概述了基本理论和构造细节： SpinQ Gemini: a desktop quantum computing platform for education and research | EPJ Quantum Technology | Full Text (springeropen.com).。
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