(本主題資料全部來自互聯網絡)
13.1 電子通訊與運算極限
電子運算設計基於林布二元代數學和電子邏輯閘，以 (0 1) 二進位元編碼運作。0態設定為0 V，1態為5 V。 二進2 bit，即 (0 1) 有22種可能性 (0 0)、(0 1)、(1 0) 和(1 1)、二進4 bit有 24種可能性、二進8 bit 有 28，二進16 bit有216，如此類推。現今桌上電子計算機可處理 64 bit數據。重温主題 9.2。運算速度取決於兩個因素：(i)資訊傳輸速度和 (ii)資訊處理速度。現有的超級電子計算機 (用於模擬核分裂、AI智能大數據等領域) 運算速度大都可以達到每秒一兆 (萬億，或1012) 次以上，內藏超過一千萬顆核心處理器。
每次基礎運算都基於電子邏輯閘開和關，要耗時間和電力，兩者都極為微小。運算過程不可逆，0 就是 0，1就是1，有確定性，只可以取 (0) 態或 (1) 態運作，(0) 態和 (1) 態不可以共存。就算以晶片納米技術和石墨稀超導電等物料工藝不斷發展，(0 1) 二進位元電子計算機運算速度始終是有極限的，樽頸位在於每一基本運算都要求電子邏輯閘開或關，雖然需要極少時間，但實際上，不可能降至0秒。
電子運算也要面對加密問題和病毒風險。
13.2 量子通訊與計算
(i) 量子通訊
無線電子通訊之載體是電磁波。字訊號經調變後傳送，發射者傳出和接收者獲取同一訊號。若發射者把訊號加入密碼，接收者獲取了加密訊號後，就算沒有密碼，也不排除解除密碼之可能性，還原訊號。因為自己既可加入，並不等於只有自己才可以提取，別人也有機率可以提取，也可以是逆向的。因此加密之數字通訊不是絕對安全。當然加密關卡越複雜，成功解密困難越大。
量子通訊不需要電磁波載體，量子通訊是利用光子 (photon) 的量子糾纏原理。不像電磁波，光子是一種基本粒子，具有基本粒子的特性如自旋和不確定性。光子遷移沒有像電磁波受制於波長和頻率關係因素 (頻率 = 光速/波長)。光子可以如“時間隧道”般以光速定向到位。量子糾纏通訊方法是把一對攜帶訊息的糾纏光子分開來，將其一光子發送到特定的位置。若産生之糾纏光子對總自旋為零，同一軸一端帶訊息光子為順時針，另一端帶訊息光子必為逆時針，即接收端光子訊息只有你才知悉。理論上說，加密的糾纏光子別人不可以解碼，因為密碼和解碼都源自你手中。量子通訊原理是個嶄新概念。
現時可實踐之量子通訊傳輸還在發展中，實時運作原理也超越筆者認知能力，只可以從網絡資料得出這科技五大要點：
(i) 有別於電子數字通訊之實質0和1態，量子通訊0態和1態可同一時間共存 (量子疊加，quantum superposition)，有不確定性，可以是0態或1態、
(ii) 現時實踐之通訊技巧為量子糾纏 (quantum entanglement)、
(iii) 加密之資訊理論上不可以被破解、
(iv) 量子通訊的線路時延可以為零，即通訊速度與雙方之間的距離無關，是最快的通訊方式和
(v) 點對點通訊。
2016中國成功發射墨子號量子科學實驗衛星，進行了地域-太空-地域遠距離量子通訊。
(圖349) 中國墨子號衛星首次實現1200公里量子糾纏通訊
現時應用量子通訊技巧還處於發展階段。上網可搜集一些大方向資料，但技巧細節是不會公開的，因為關乎國家級軍事極端機密。可以想像，不同一般點對點車輛移動，量子通訊有如科幻小說之 “時空穿梭” 。
(ii) 量子運算
經過50多年的飛躍發展，數字移動通訊和電子數字運算將來會不會再有新的突破？其實突破空間是越來越少的，因為電子邏輯閘開和關之時間是個樽頸位，不可以現有工藝技術將它變為零 (超導除外)。自然地人們會想起棄用電子邏輯閘開關機制只局限於 0 態變為 1 態或1態變為 0 態才可以進行運算。因此科學家已把未來運算科技重點放在另一嶄新方向 – 量子運算。
量子運算 (quantum computing) 現時還在萌芽時期，理論和實踐 (不僅限於實驗室，民/商/軍一樣可用) 還有一段頗遠距離。不過顧名思義，量子運算基於量子概念，而量子概念核心原則是「不確定性」(Principle of uncertainty)。筆者雖然對量子力學知曉甚少，但聯想到電子數字運算之0態 (0 V) 和1態 (5 V) 只可取其一，由0變 1 或1變 0才可以運算而導致成為運算速度之樽頸位。量子運算概念則基於0態可以是1態，1態也可以是0態。0態可以運算，1態可以運算，界於0和1態之間也可以運算。就是這「不確定性」和概率範疇科學家提出了新量子運算概念「Qubit」位元或量子位元。
實用電子運算之輸入態和輸出態都是傳統載體脈衝訊號0/5 V。執行軟件程式令0/5 V變換，精準地啟動硬件各埠口進行運算。編碼程式不可以0 態 (0 V) 或 1 態 (5 V) 運算，要從0 V轉到 5 V或從 5 V 轉到 0 V 才可以運算。以數學範疇說，電子運算之0態和1態源於 「正交」 態 (orthogonal state)，即1態 和0態互不相關 或 只容許1態 或0態 或一位元 (1 bit)。量子運算輸入態和輸出態沒有載波媒體，但以電磁波之粒子，即光子或電子，之自旋 (spin) 或偏振 (polarization) 作 「本徵態」 (eigen-state) 線性組合 (linear combination) 或稱作 「疊加」(superposition)，產生所有可能的變換，以複數 (complex number) 或實數表示。 (0/1) 疊加態變換相互之間不「正交」。0 態可以運算，1 態可以運算，(0/1) 疊加態也可以運算，這種嶄新運算位元叫 「Qubit」，量子位元。
結果 2 qubit 可以同時進行22 種運算，不像現時電子運算二輸入2 bit 只可取 (0 0 )，(1 0 )，(0 1 ) 或 (1 1 ) 其中一態才可以運算。現時電子運算之64 bit 位元組有 264，或1.84 x 1019 次可能性運算，但不是說同一時間可以進行264次二元運算。計算機內部處理數據以字組 (word) 為單位。一般字組長2 byte，即16 bit。64 bit PC 可同一時間處理4字組或其他組合，若同時考慮硬件中央處理器之時鐘速率限制，實則速率遠遠少於264次運算。量子運算次數為2n Qubit，即50-qubit量子位元計算機可同一時間作250 或1.13 x 1015 次運算。現時認為有經濟效益+之量子計算機標準應可處理起碼50-Qubit、雙量子位錯誤率要低和可抗噪音等干擾導致數據流失。
An introduction to quantum computing
The mathematics of quantum computers
2011年 加拿大 「D-Wave 系統公司」 採用「量子退火」 (Quantum annealing) 技術，發佈了一款號稱 「全球第一款商用型量子電腦」 的計算裝置「D-Wave One」。隨後和 NASA和 Google 共同宣稱研發 「D-Wave Two」量子電腦。不過兩者之表現不比傳統電子計算機優越，遠低於期望。2019 IBM 發佈了全球第一座商用量子計算機 「Q System One (圖350)」。不過其體積過於龐大，要用超低溫超導，運算之量子位元只有20-Qubit，遠低於有經濟效益之50-Qubit以上。
若想從互聯網獲得多點有關量子計算詞彙資料和應用情況，可試試以下各關鍵詞： 「量子霸權」，「量子優勢」，「光子玻色取樣」和「超導量子位元取樣」。 後二者是目前研發量子計算方向。
後記 (資訊來自互聯網) ：自 2019年起， 兩種量子運算原型，分別基於「超導量子位元取樣」和「光子玻色取樣」技術，各自挑戰向「量子霸權」之尋求。
(i) 2019 Google 發表採用「超導量子位元取樣」技術量子運算原型 「懸鈴木」(“Sycamore”)，利用53量子位元處理器從量子隨機抽樣挑選某一任務之最大機率結果。「懸鈴木」運算速度超越當時最快超級電腦可處理之最快速度。Google 取得「量子霸權」第一回合領先地
(圖350) 2019 IBM「Q System One」
(圖350) 2019 IBM「Q System One」
“九章” 取得「量子霸權」
(ii) 由潘建偉和陸朝陽教授領導之中國科學技術大學研究團隊於2020採用「光子玻色取樣」 技術設計之量子運算原型「九章」(“Jiuzhang”) 以76光子取樣完成一特定量子任務 (有別於「懸鈴木」完成之任務) 。「九章」之運算速度超越世界最快超級電腦日本「富岳（Fugaku）」完成相同任務之速度，也打破「懸鈴木」之速度記錄。至此，「量子霸權」第二回合宣佈易手。
(圖 352) The “Jiuzhang” quantum computing prototype
(iii) 2021年潘教授團隊也採用「超導量子位元取樣」技術作量子運算，宣告製成雙粒子62 量子位元可編程處理器原型「祖冲之號」。於0 K下之不同自旋電子對，視為一實體雙粒子(Cooper pair，spin-singlet)，特性一如玻色，上網查閱。
(圖 353)「祖冲之號」量子計算機原型
與Google 53量子位元商業就步之「懸鈴木」處理器比較，「祖冲之號」原型還要進一步開發才可以在「量子霸權」領域保持一席位。
(iv) Qiskit: Qiskit為一開源碼研發套件 (SDK) 提供量子計算機軟件編程公開平台。Qiskit提供創意工具，轉化現有程式語言為可處理量子計算機軟件。起始版本基於Python程式語言，但很快便變為更開放源碼，並沒有標準化。主要因為商用量子計算機還處於開發階段。
(v) 以上量子計算機原型用不同技術和工藝，也分別處理不同任務先後達致「量子霸權」。量子計算機原型終極挑戰將會是建造一台可進行量子演算法 (quantum algorithm) 機器，輸入編碼程式作量子運算。預見會是一座大型設施取代以電子邏輯閘建構之超級電腦，演算模擬核裂變、模擬核聚變、模擬分子動態 (藥物創新)、AI區塊鏈、編碼破解等範疇，運算能力需要達每秒千千兆次(~1018，Quintillion) 。人類也許要多數十年努力才可以實現用家計算機量子化。
13.3 主題總結
Binary Boolean algebra 開啟了電子邏輯閘 (logic bit) 應用和數字電子技術，從而研發電子計算機，是STEM一個非常成功的例子。基於量子力學 (Quantum Mechanics) 和線性代數 (Linear Algebra) 基礎而提出之 (qubit) 理論和開發，可否發展為實用量子計算機？會否是STEM另一更加重要之成就？
有關電子 vs 量子通訊與計算，大概有以下簡單總結：
| 通訊技術 | 計算技術 | ||
電子 | * 固網和無線通訊技術都成熟。 * 固網由模擬進展至數字光纖寬頻，尤其 ”人與資訊” 通訊以互聯網發展最為突出。 * 無線數字通訊技術由2G發展至現時之5G。 * 未來之6G通訊將以大數據、人工智能和萬物互聯網 (IoE) 為主要應用。 | *上世紀60年代開始商用和民用電子邏輯閘硬件和軟件運算。 * 電子數字計算功率決定於速度和記憶儲存量。後者近數十年以摩爾定律飛躍發展，尤其快閃記憶體 (Flash memory) 之崛起令一塊細小micro-SD卡可儲存數十至數百GByte。 *移動通訊硬件和軟件之飛躍發展令今天之智能手機功能和桌上電腦有過之而無不及。 | |
量子
| * 理論和技術還在發展中。 * 現時可實踐之科技只有量子糾纏 (quantum entanglement) 可作遠距離通訊。 * 加密之量子通訊資料理論上傳輸時不可以被破解。 | * 理論與技術處於起步階段。電子邏輯閘概念或許不會用於量子計算，但也有兼容需要，邏輯閘概念和嶄新量子計算概念一起發展。 *起碼要用十年以上時間才可民/商定型。 * 量子計算功效與電子計算功效屬於不同層次，量子計算功能遠超電子計算。 |
後記:
2020 一月，自然期刊 不約而同發表了三篇論文有關硅基量子計算：(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。揭露有科學家們正研究另一途徑開發量子計算。 因此，目前可以說除了採用「光子玻色取樣」和「超導量子位元取樣」 研發之量子計算技術，硅基量子計算技術也可進行量子級數據處理。
13.4 一臺經濟實惠的初學者級量子計算機——SpinQ Gemini
2022 年，中國深圳推出了一款商用迷你量子計算機 SpinQ Gemini，非常適合初學者瞭解和應用量子計算的基本原理。
該機器使用成熟的NMR（核磁共振）技術來操控1H和31P的核自旋，實現2量子比特的量子計算平臺。以下文章全面概述了基本理論和構造細節： SpinQ Gemini: a desktop quantum computing platform for education and research | EPJ Quantum Technology | Full Text (springeropen.com)。
YouTube 演示：