下個世代運算工具，揭開量子電腦神祕面紗

2016 年 4 月，當時上任不到一年的加拿大總理杜魯多（Justin Trudeau），在一個公開場合以 35 秒解釋什麼是量子電腦，影片在網路大量轉貼、討論；隔年 3 月《經濟學人》雜誌就以「量子躍遷」（Quantum Leap）為主題，介紹量子技術的展望，讓量子電腦躍上大眾視野。

微軟執行長薩蒂亞‧納德拉（Satya Nadella），也曾將人工智慧（AI）、混合實境（MR）、量子電腦，並列為重塑未來世界的 3 種開創性技術，Google、IBM、Intel、微軟，以及許多研究人員近來也都以打造商業使用的量子電腦為目標。雖然這項顛覆以往思維的運算技術仍在起點，但你我都應該從現在開始認識量子電腦，了解這項科技將在未來扮演關鍵角色。

▲ 加拿大總理杜魯多（Justin Trudeau）面對記者提問，解釋什麼是量子電腦，贏得現場群眾一陣掌聲。

運算速度更強大，拆解量子電腦背後原理

量子電腦的概念，來自 1982 年物理學家理察‧費曼（Richard Feynman）將量子體系用於運算的想法，不過在那個年代都僅止理論推導，卻也是翻轉現代電腦科學重要的關鍵點。簡單來說，量子電腦的運算速度超越現在你我使用的傳統電腦，以更快的速度解決生活各項難題。

一般電腦（包括桌機、筆電、平板、智慧型手機）都採用二進位制的計算單位「位元」（bit），意思是 0 與 1 的二分法，一次只會出現 0 或是 1 單一狀態，也就是「yes / no」形式；量子電腦則採用「量子位元」（qubit），這種計算方式有「疊加」（superposition）特性，可以同時出現 0 與 1，產生 00、01、10、11 的疊加狀態，也就是「yes / no / both」形式。

《華爾街日報》曾比喻，如果傳統位元是靜止的硬幣，一次只能出現正面或反面，量子位元就像旋轉中的硬幣，正反兩面都可以同時出現；或者也可以將傳統電腦想像成單一種樂器，量子電腦就像眾多樂器組成的交響樂團，能同時演奏不同段落。

▲ 量子電腦就像眾多樂器組成的交響樂團，能同時演奏不同段落。（Source：pixabay）

量子電腦之所以稱為「下個世代的運算工具」，是因為可多管齊下、同步測試各種可能找出答案，透過量子電腦，可以幫助人類在短時間內完成一般電腦花上數十年才能解決的問題。

之所以能擁有這麼快的運算速度，靠的是量子疊加（superposition）、量子纏結（entanglement）這兩大量子特性。

量子疊加指的是每單位可以 0 或 1、0 與 1 相互疊加，形成 00、01、10、11 四種組合；量子纏結則是指量子位元可以分組聚合、同步計算各種可能性，也因為如此，運算能力才能大幅提升。

目前面臨的技術困境？

穩定性不足

量子電腦這項科技已存在，但要能實際商業應用，仍有許多困難需要克服，目前量子電腦的穩定性不夠，容易受熱能、電磁輻射等外在環境干擾，必須將處理器放在絕對零度（零下 273 攝氏溫度）的環境，才能讓人類與量子電腦一起工作，目前為止因為打造這樣的環境條件需要相當困難的技術，導致量子電腦發展速度受限。

錯誤率有待降低

此外，要達到商業化的目標，處理器要達到 50 量子位元、雙量子位錯誤率低於 0.5% 的標準，才能符合「量子霸權」（quantum supremacy）定義。Google 今年 3 月推出 72 量子位元處理器「Bristlecone」，雖然已達標準，但目前錯誤率的穩定仍是一大關鍵。

▲ 為了避免熱能、電磁輻射等外在環境干擾，必須將處理器放在絕對零度（零下 273 攝氏溫度）的環境。（Source：Intel）

開發量子軟體

最後，量子電腦要能真正發揮作用，同步開發量子軟體也很關鍵，高度運算複雜度，使開發人員必須具備一定程度的物理、數學、軟體工程知識，但由於初期研發的量子電腦硬體規格不一致，所以軟體大多必須客製。

量子電腦預計 10 年內就能從實驗室邁向商用，為人類生活帶來天翻地覆的衝擊。在未來世界，誰能掌握量子電腦技術，就擁有優勢制霸權，也因此各家科技大廠、各國政府無不積極迎戰，就像前微軟首席研發策略長克雷格‧蒙迪（Craig Mundie）說的：「這是 70 年來，我們第一次建構一個完全不同的運算系統，這並非升級或改進，而是完全不同性質的新事物。」

（本文由數位時代授權轉載；首圖來源：Flickr/Ian Hughes CC BY 2.0）