量子信息最近的研究高潮迭起，先是有Bravyi et al于《Science》(注1)證明量子算法的優(yōu)異性，接著Wehner et al也于《Science》(注2)預(yù)想了量子信息自最近的量子密鑰配送(Quantum Key Distribution；QKD)至最終極的目標(biāo)－量子計算－的6個步驟，科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界似乎都齊頭大步開展研究的步伐。

這些發(fā)展的歷程每個階段需要克服的技術(shù)困難各異，但是全都與所采取的量子信息基礎(chǔ)單元－量子位元(qubit)－有關(guān)。量子位元的構(gòu)成物質(zhì)基本上分兩類：超導(dǎo)體與半導(dǎo)體。超導(dǎo)體是在極低溫下超導(dǎo)的金屬，它的量子位元可以用其電流、相位或磁通量(flux)表示。

與半導(dǎo)體相關(guān)的量子位元可以是光子或帶電粒子：光子可以用其自旋、極化(polarization)或其路徑表達(dá)量子位元。由于光子的產(chǎn)生是由量子點或半導(dǎo)體雷射，因此光子也被歸類在廣泛的半導(dǎo)體范疇。帶電粒子可以是電子、離子、原子等物質(zhì)，一般的選擇是以帶電粒子的自旋來表達(dá)量子位元，但也有其它的方法構(gòu)成量子位元，譬如微軟(Microsoft)用準(zhǔn)粒子(quasi-particle)任意子(anyon)來構(gòu)成量子位元。

量子計算就是用量子閘極(quantum gate)、量子存儲器(quantum memory)對這些量子位元施加的運行、儲存，主要是使各量子位元間產(chǎn)生干涉(interference)或糾纏(entanglement)。

最早發(fā)展的量子位元是捕獲離子(trapped ion)，是無線電頻率陷阱捕獲離子、用雷射控制離子集體行動來操作量子運算。它較穩(wěn)定，量子閘極的保真度(fidelity)最高，能同時糾纏的量子位元也最多；但是運算速度慢，也需要額外的雷射來操作。

超導(dǎo)體的量子位元運算速度快，也可以加諸于現(xiàn)在半導(dǎo)體技術(shù)之上；但它的量子態(tài)容易崩潰(collapse)，因此需要維持極低溫的環(huán)境?，F(xiàn)在達(dá)到「量子霸權(quán)」起碼量子位元數(shù)的幾家公司－譬如Google與IBM－的量子計算機都是用超導(dǎo)體的技術(shù)。

量子點的量子狀態(tài)還算穩(wěn)定，它的最大好處是建立于現(xiàn)在的半導(dǎo)體技術(shù)之上，因此它的可擴展性(scalability)－量子位元可以大量制造－最高。這個是半導(dǎo)體業(yè)最想看到的方法，英特爾(Intel)就是采取這方法。但是量子點目前只有辦法做到2個量子位元的量子糾纏，也需要在極低溫下運行。

任意子是在半導(dǎo)體上通道上因電子路徑編辮(braiding)形成的準(zhǔn)粒子，與目前時興的許多拓樸物質(zhì)相似，這個準(zhǔn)粒子的存在受拓樸保護(hù)，所以這準(zhǔn)粒子的退相干時間(decoherence time)－維持量子態(tài)間相干的時間－比較長，相對穩(wěn)定。這是微軟近年才展示的新量子位元型態(tài)，發(fā)展還有待迎頭趕上。

納米鉆石(nano diamond)中的氮空缺(nitrogen vacancy)利用氮原子中的電子和電洞所形成的能階來當(dāng)成量子位元，它的量子狀態(tài)非常穩(wěn)定，可以在室溫下操作。但是它和其它種類的量子位元都面臨一個共同的兩難問題：穩(wěn)定的不容易操作，容易操作的不穩(wěn)定、退相干時間短。納米鉆石氮空缺所做的量子位元由于碳分子將量子位元周遭的噪音隔絕的太好了，使得要讓量子位元之間糾纏也很不容易。

這些不同材質(zhì)的量子位元技術(shù)發(fā)展現(xiàn)在正各自發(fā)展，共同的基礎(chǔ)是半導(dǎo)體技術(shù)，連表面上離半導(dǎo)體最遠(yuǎn)的超導(dǎo)體方法，也叫做circuit-based superconductivity。

這些量子位元有的運算比較快，有的退相干時間比較長，性質(zhì)好似光譜一字排開。從傳統(tǒng)半導(dǎo)體學(xué)到的經(jīng)驗是有些量子位元可以當(dāng)成CPU中的cache，有些可以當(dāng)成DRAM，還有些可以當(dāng)成NAND，形成類似現(xiàn)今半導(dǎo)體的記憶儲存體制，所以在可見的未來，以各種量子位元形成混搭的量子計算機也是可以預(yù)期的！