「量子電腦」真的有量子特性嗎？專訪年輕理論學者獎得主陳信良與他的黑箱驗證

採訪 / 何郁庭（科學推展中心執行編輯）．撰稿 / 許芷辰（科學推展中心特約編輯）

審訂 / 陳信良副教授（國立中興大學物理學系）

2024年，國家理論科學研究中心頒發「年輕理論學者獎」給國立中興大學物理學系副教授陳信良。該獎項為國家級榮譽，每年最多頒發予兩位 41 歲以下的優秀學者，表彰其在理論科學上的創新貢獻。陳信良教授提出了一系列測量與計算方法，能用來檢測所謂「量子電腦」的設備是否真正展現出量子特性，回應一項關乎未來科技核心的根本問題。

什麼是量子資訊？什麼是黑箱驗證？如何知道某電腦是否為量子電腦？

量子資訊（Quantum Information）是一門融合量子力學與資訊理論的跨領域學科。透過粒子的疊加、糾纏等量子特性，進行資料的儲存與處理。量子電腦所操作的基本單位「量子位元」（qubit），能同時處於多種狀態，運算能力呈指數成長，在處理特定類型的複雜問題時展現驚人的潛力。

如果說古典電腦的邏輯是清晰可見的程式語言與電路圖，量子資訊的運作就如同一個看不清全貌的「黑箱」。它讓粒子同時存在於多種狀態，亦可能使相距遙遠的粒子產生糾纏關聯。但也正因為如此，我們無法直接檢驗量子系統的內部狀態，只能從「外部輸出結果」進行推論。這便是近年來陳信良教授在量子資訊領域持續鑽研的「黑箱驗證」，透過測量與計算某設備的輸出結果，以驗證其是否符量子規則。主要判定某設備完成任務所達成的極限是否超越古典極限，其中量子電腦可以達到相對大的極限。

這樣的驗證方式，最初多聚焦於「空間上的量子關聯」，也就是兩個或多個分離的量子系統間是否存在糾纏。但陳信良近年的研究，進一步延伸至「時間上的量子關聯性」。只單看一個量子系統，但觀察它在不同時間點的行為能否展現出量子的特性。

這些成果，正是他獲得2024年國家理論科學研究中心「年輕理論學者獎」的關鍵貢獻。而這次的獲獎經驗，對他自身的獨立研究來說實為一大認可與肯定。

陳信良的求學經歷，如何一步步走向量子研究？熱忱與好奇心

談起自己與量子領域的緣分，陳信良提到，在中山大學碩士班時期遇見指導教授林德鴻，是他走向量子資訊研究的啟蒙。林教授很鼓勵學生們進行不同嘗試、也會大方讚許學生們的研究成果與進度。林教授的鼓舞讓他對學術研究更有信心、更立志朝這個方向繼續深造。

後來陳信良博士班就讀於國立成功大學時，他跟隨陳岳男教授進一步專研量子資訊理論。陳教授很支持學生們出國拓展視野，安排學生們赴日本理化學研究所參與短期交流，而那對陳信良而言，是第一次開啟了他在國際科學社群裡交流與合作的經驗。博士班最後一年，他前往德國進行交換研究，跨出亞洲後累積更多歷練、認識來自各地的國際合作者。這些經歷拓寬了他的國際視野，也讓他更理解量子資訊研究的前沿議題如何在全球串連。

陳信良教授分享，他認為學術研究最重要的精神就是「保有熱忱與好奇心」，唯有好奇心能驅動人們對觀察大自然現象提出疑問，保有熱忱能讓自己一步步去「思考」並且「嘗試解決」整個過程中所面臨的種種疑惑與難題，才會讓「研究」這條路變得有趣。

台灣做量子研究，有什麼優勢？

談到自己在台灣從事量子資訊研究的角色與期待，陳信良坦言，和美國、日本、歐洲等資源充沛的國家相比，台灣目前在量子電腦的硬體開發上較難正面競爭。他指出，打造一台具備商業性要求的量子電腦，所需的經費跟資源非常龐大。因此，他認為，除了持續投入原型機（prototype）的研發之外，台灣也應積極探索其他可能的切入點與發展機會。

而他所看見的機會，來自於量子電腦軟體與介面開發。陳信良說明，如同古典電腦需要作業系統，量子電腦也需要一個使用者可以操作的介面，以台灣具備許多資訊科學、程式撰寫方面的人才優勢，若有資工、電機背景的人才投入，將有很大的發展潛力。

此外，陳信良也分享自身的經驗與觀察。他指出，相較於歐洲與美國，東亞各國普遍更重視細節。因此，對台灣而言，若能聚焦於既有研究成果，深入挖掘其中細節的異同，並進一步建立解釋性的模型加以詮釋，所孕育出的創新潛力，其實並不遜於從零開始的創新模式。

回到陳信良自己研究室聚焦的黑箱量子驗證範疇，他認為這項工作本身就是一種與硬體發展相對獨立、但對量子電腦極為關鍵的理論工作。藉由數值模擬與理論設計，先建立好整個驗證流程，待未來其他團隊有製作量子電腦的規劃時，便可以直接採用已建立好的流程進行量子特性驗證，有效節省時間與各項成本。

陳信良認為，這正是未來年輕研究者可以投入的領域：不論是在軟體開發、使用介面、還是驗證架構上，都有許多值得努力與創新的空間。