什麼東西讓手機都變成了超級電腦， 且在 10~20 年內不遠的未來，哆啦 A 夢機器人即將誕生？
量子電腦近期受到國內外媒體關注，如 Google 發佈 72 量子位元處理器，IBM 擁有50 量子位元的量子電腦，Intel 開發出 49 量子位元處理器，還有 D-Wave 的 2048 量子位元退火電腦，富士通的 1024 量 子位元退火晶片 DAU，雖然退火量子電腦並不是所謂的通用系統，但仍 然脫離不了實現「量子霸權」(Quantum supremacy)的終極目標。
圖1、英特爾的量子晶片
「量子霸權」是由加州理工量子理論學家 John Preskill 在所創造，指當量子計算機發展到 50 量子位元（錯誤率低於 0.5%）時，其計算能力將超過世界上任何計算機（包括超級電腦）。著名量子資訊學家郭燦森曾解釋，理論上擁有 300 個量子位元的量子計算機就能支持比宇宙中原子數量更多的平行計算。臺積電董事長張忠謀說：「目前半導體製程最多只能到 2 奈米，再小就很 難說了。」因為 2 奈米只有 10 個原子大，再小電子會有「量子穿隧效 應」，讓積體電路邏輯閘皆失效，所以要讓電腦更快就只能靠量子電腦 了。
什麼是量子電腦？
量子電腦（quantum computer）是一種使用量子邏輯進行通用計算的裝置。量子不像半導體只能記錄 0 與 1，可以同時表示多種狀態。如果把 半導體比喻成單一樂器，量子電腦就像交響樂團，一次運算可以處理多 種不同狀況，例如一個 40 位元的量子電腦，就能在很短時間內解開 1024 位元電腦花上數十年解決的問題。 量子世界跟我們生活所能理解的世界大大不同，「量子疊加」(quantum superposition)和 「量子糾纏 」(quantum entanglement)是其中最大的兩項差異所在，至今物理學家仍無法了解其 中的基礎機制，卻能應用來開發量子電腦了。
1994年彼得·秀爾（Peter Shor）提出量子質因數分解演算法後，證明量子電腦能做出離散對數運算，而且速度遠勝傳統電腦，可以用來破解已被廣泛使用的公開密鑰加密方法，也就是RSA加密演算法，就會直接威脅到許多單位的資安結構，但請別擔心，假以時日量子電腦普及了，同樣能運用在安全防護上。
薛丁格曾用貓設計一個描述量子疊加態的實驗：將一隻貓關在一個 封閉無窗的盒子裡，盒子里有放射性物質及一瓶毒氣，如果放射性物質 發生衰變，會觸動機關打破毒氣瓶，則貓被毒死；如衰變沒發生，則貓 可活下來。常識告訴我們這隻貓不是死了就是活著，量子疊加原理卻告 訴我們這隻貓是又死又活，生死疊加。瓦恩蘭（David Wineland）和阿羅什（Serge Haroche）實驗上證明「這只薛丁格貓可以不活又不死」，此現象戲弄了物理學家及哲學家近一個世紀，這是量子物理較為怪異的現象之一。不只量子，富勒烯（60 個碳原 子組成）也被觀察到疊加現象，那以後會不會發現更大分子的東西具備 疊加狀態？
(來源:多維新聞)
這提供很多小說家無限的想像空間，無限多的平行世界在現實上是 有可能的，比如另一個世界裡你抽到中樂透。注意到一點疊加現象只要 被量測，就會發生「哥本哈根詮釋」的「波函數塌縮」結果，比方說你正考慮簽一份重要的契約，在你簽之前你的意志都是疊加狀態，你的簽 或不簽決定了兩個平行世界的產生，舉個更鮮明的例子，你跟誰結婚， 決定了多種平行世界的結果。
至今物理學者仍舊不清楚量子糾纏的基礎機制。假設一個零自旋粒子衰變為兩個以相反方向移動分離的粒子，對其中一個粒子測量自旋，假若得到結果為上旋，則另外一個粒子的自旋必定為下旋，假若得到結果為下旋，則另外一個粒子的自旋必定為上旋。
另外有關量子糾纏，以兩顆向相反方向移動但速率相同的電子為例，即使一顆行至太陽邊，一顆行至冥王星邊，在如此遙遠的距離下， 它們仍保有關聯性；亦即當其中一顆被操作（例如量子測量）而狀態發生變化，另一顆也會即時發生變 化。如此鬼魅似的超距作用，彷彿兩顆電子擁有超光速的秘密通信，物 理學者質疑，蟲洞的連結與量子糾纏的連結是同一種現象，只有系統的 尺寸如同天壤之別。2017年6月16日，量子科學實驗衛星墨子號首先成功實現，兩個量子糾纏光子被分發到相距超過1200公里的距離後，仍可繼續保持其量子糾纏的狀態。
量子計算
由於量子位元的疊加特性，使得量子位元可以不像傳統電腦位元只 能為 0 或 1，而是能夠同時為 0 和 1，此特性使量子位元的運算能力增 加，量子電腦得以進行大量資料的平行運算。量子疊加以量子位元 （qubit）為單位，2 個 qubit 可以實現傳統電腦 4 位元運算能力，3qubits 可實現 8bits、4qubits 可實 16bits、及 5qubits 即可達到日常 生活中 64 位元電腦的計算能力，其計算能力以指數性 2 的 n 次方成長。
2016 年 IBM 推出了一項名為「IBM 量子體驗」的網路平台，將一 台擁有 5 量子位元的量子電腦向大眾開放，使用者可以連上線並體驗量 子電腦。（https://www.research.ibm.com/ibm-q/）
圖2、IBM量子電腦
Qubit雖然可以同時具備0和1狀態，但經過測量，則會發生「哥本哈根詮釋」的「波函數塌縮」成為0或1，故必須透過特殊的量子計算(Quantum computing)測量振幅疊加（干涉）結果，即重複設定初始值，測量結果，再用機率推得答案（例如兩個0疊加測量結果都是0，0跟1疊加測出機率必定是50%1及50%0）。傳統電腦輸入010跟101會正交（And）成111只有一種輸出，但是使用量子電腦卻還是有010跟101兩種輸出。
圖3、數字4、5的量子疊加意示圖，最右邊位元4是下旋，5是下旋，疊加後振福發生改變，讓量子無能量則歸0下旋，有能量則上旋成為1
另外量子糾纏則指的是量子位元可以分組聚合，將糾纏的量子位元帶入平行運算，將得到關聯的結果，比如程式碼一對變數a=b，a與b分別帶入不同運算式，則不管a怎麼改變b立即改變，如用在密碼傳遞上，會更加安全。
量子電腦對我們生活的影響
需要高精準度的氣象預測，將因量子電腦的運算而更加可信；機密 訊號的傳遞，也將因量子的特性無法中途攔截而更加安全；往後將被大 量運用的人工智慧(AI)及機器學習技術，也會因量子電腦的加入而效率倍增（比如卷積神經網路Convolutional Neural Networks這個在圖形語音辨識上發展迅速的AI科技，即用了大量平行運算來過濾特徵值）。比如在公共安全領域，量子計算可以瞬間處理監控數據庫中60億人次的臉部圖片，即時辨別出一個人的身份。
開發一種新藥是非常複雜的過程。化學家們需要進行無數不同分子組合方式試驗，以找到可真正有效治癒疾病的藥物特性。這一過程可能需要數年時間，耗費數百萬美元資金。量子電腦可以繪製出數以萬億計的分子組合模式，並迅速確定最有可能生效的組合（如分子模型形狀吻合細胞通道受體或基因啟動子的形狀），這將大大節省研發成本和藥物研發時間，人類基因分析排序的速度也更快，這將幫助研發個人化藥物和醫療保健方式。
雖然由於量子電腦特性，無法儲存資訊和運算結果，加上體積和所需要的硬體維護人員及費用高昂（量子需在絕對低溫環境下，才不受熱能影響振福偏差），在可見的未來都將與傳統電腦結合透過雲端提供運算服務，現在的量子電腦確實已經即將從實驗室步入實際應用，預備顛覆創新材料製造、化學製藥、人工智慧、網路安全和金融科技的領域。
另外，虛擬貨幣比特幣和其他使用區塊鏈技術之應用的安全性，在於其加密的強度很高，不容易被傳統電腦破解，如果量子電腦加入挖礦的行列，並且展現出壓倒性超出其他礦工的計算能力，整個比特幣市場就可能瓦解‧而且比特幣的另一個安全協定特徵，橢圓曲線數位簽章(elliptic curve signature)卻可能更快在量子運算下暴露出弱點，雖然傳統電腦很難透過公開密鑰算出私有密鑰，對量子電腦來說卻很容易。
值得一提的是 D-Wave 跟富士通 DAU 退火量子電腦，是模擬大自然的退火機制，雖尚未證實測得「量子加速」表現，但用於大數據、 AI 領域則已足夠，特別是 DAU 因使用半導體在常溫下模擬量子疊加狀 態，技術相當領先，可望率先商用普及化、家用化。
Google 雖然發佈 72 量子位元晶片，但錯誤率仍未降至 0.5%以 下，故尚未實現所謂的「量子霸權」，量子電腦不僅要追求位元數增 加，仍要降低錯誤率才能展現「量子加速」的威力，當發展至 100 萬量子位元電腦(預估 2028 年達成)，則 2,000bits 的公開加密金鑰(日常金 融交易常用到)將在一天內遭到破解（原本需數百萬年時間），屆時現代 所有資訊安全、金融加密體系將徹底瓦解，並由量子加密技術取而代 之，想像手機都變成了超級電腦，加上 AI 運算，哆啦 A 夢機器人即將 誕生，且在 10~20 年內不遠的未來？
參考來源：維基百科（https://www.wikipedia.org/）及相關新聞報導
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