量子電腦（Quantum Computer）被視為是下個世代的運算工具，微軟執行長薩蒂亞·納德拉（Satya Nadella）也曾將人工智慧（AI）、AR、量子電腦三者並列為未來重要的技術；Google、IBM、Intel 也都虎視眈眈要搶攻這被視為明日之星的新科技，為了及早準備進入量子電腦的未來，微軟在本周宣布推出一款程式語言「Q#」，能夠協助開發者開發量子電腦的軟體，還喊出要在 5 年內讓量子電腦進入商業市場。
好不容易搞懂了 AI、AR、VR、無人車這些最新的科技，量子電腦又是什麼？將會如何影響未來的世界？
別於傳統電腦，量子電腦運算能力加速
物理學家理察‧費曼（Richard Feynman）早在 1982 年提出將量子體系用於運算的想法，因此許多科學家開始投入量子的世界，並將量子電腦視為翻轉現代電腦科學重要的關鍵點，但量子電腦在 1980 年代技術並不成熟，大多處於理論推導的階段。
▲ 量子電腦被視為是下個世代的運算工具，擁有極快運算速度。（Source：微軟）
量子電腦比起傳統電腦擁有極快的運算速度，有別於傳統電腦是以簡單的 0 與 1 位元（bit）來儲存資訊，量子電腦靠的是量子疊加（superposition）、量子纏結（entanglement）兩種特性。量子疊加以量子位元（qubit）為單位，每單位可以是 0 或 1、0 與 1 相互疊加，共有 4 種組合，可以儲存更多、更複雜的資訊；量子纏結指的是量子位元可以分組聚合，讓電腦運算能力因此更為強大。
簡單來說，可以把傳統電腦想像成單一種樂器，量子電腦就像是眾多樂器組成的交響樂團，能夠一次同時演奏不同的段落，也就是說一台量子電腦，可以在短時間內完成一般電腦需要花上數十年才能解決的問題。
微軟執行長薩蒂亞·納德拉則曾用迷宮來比喻，一般電腦若要走出迷宮，需要不斷地測試、重來，直到找到正確的那一條路，會耗費許多時間，然而量子電腦能將資訊編碼，同步測試迷宮內所有的通道，這也就是為什麼說量子電腦是「下個世代運算工具」的原因。
微軟打造 2 款量子模擬器協助開發
12 年前時任微軟首席研發策略長克瑞格·蒙迪（Craig Mundie）第一個跳出來支持物理學家費曼研究量子運算，讓量子電腦的發展一步步走向現實。微軟今年 6 月也公布兩款量子模擬器，一款可以實際在一個場域中運作，另一款能夠在微軟 Azure 雲端平台上運作。
微軟負責量子軟體開發的資深研究員 Krysta Svore 談到：「量子模擬器能讓開發人員在實體機器尚未問世的情況下進行開發工作；量子電腦能夠自動進行建模，如果是透過傳統電腦，我們並不能真正了解這些流程。」
微軟也在今年 9 月的 Ignite 全球開發者大會上，宣布量子運算將是未來發展的主要目標，並提到要在年底釋出量子運算程式語言的 Preview （預覽版），將會整合到微軟開發工具套件系列 Visual Studio 中，預計可支援量子模擬器及未來量子電腦。
微軟執行長薩蒂亞認為，量子電腦的高速運算速度可以幫助人類解決像是醫療、能源，這類傳統電腦運算需要花上百萬年時間才能解決的難題，研究人員能因此受惠加速開發出新的材料、程式等。
量子運算程式語言「Q#」誕生
達成 9 月在 Ignite 開發者大會上的目標，微軟在本周宣布推出量子運算程式語言的 Preview （預覽版）開發包，號稱可以降低商用量子計算技術的出錯率、增加穩定性，並加快量子運算走向商業化的速度。
這款開發包，有一個叫「Q#」的程式語言，可以協助開發者為量子電腦開發軟體，以及一台整合在微軟開發工具套件系列 Visual Studio 中的量子電腦模擬器「Q# library」，個人用戶最多可以模擬 30 個邏輯量子位能問題、企業客戶則可以模擬超過 40 個量子位能的計算問題，讓開發人員可以在一般電腦上利用 Azure 雲端服務測試量子電腦軟體，提供全套式的解決方案。
同時，微軟正在研發一款更穩定的拓撲量子位元（topological qubit），拓撲量子電腦最早的用途，是協助 AI 研究人員利用機器學習加速訓練演算法，資深研究員 Krysta Svore 提到量子技術的演算法能夠大大提升機器學習效率；微軟量子計算主管托德·霍姆達爾（Todd Holmdahl）則說，因為拓撲量子電腦可以創造更穩定的量子位元，因此電腦出錯的機率也會因此降低，並認為在未來 5 年內，微軟量子電腦就能走向市場。
不只是微軟，Google、IBM 也都在布局量子電腦領域，Google 在今年 10 月宣布將在明年初測試自家的量子電腦，並喊出最快要在 5 年內推出商業化的量子電腦；IBM 同樣在量子運算領域深耕多年，今年3月公布第一款商用可量產的「IBM Q 量子電腦」，並表示在未來幾年內會開始把用量子電腦交貨給合作夥伴，且有信心在未來 10 年內打造出一台具備 50~100 位元的量子電腦，運算能力將遠遠超越現在任何一台超級電腦。
▲ 今年 3 月，IBM 公布第一款商用可量產的「IBM Q 量子電腦」，並表示在未來幾年內會開始把用量子電腦交貨給合作夥伴。（Source：IBM）
研發量子電腦的困境？
不過，研發量子電腦也面臨不少困難，像是微軟所使用的拓撲量子相當脆弱，量子位元可能因為噪音等干擾導致數據流失，為了將干擾降到最低，必須將處理器放置在比太空還冷上 250 倍的低溫環境中，在這個「地球上最寒冷的地方」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仍需要相當困難的技術，也導致量子電腦發展速度受到限制。
即便目前量子電腦的技術仍在非常早期的階段，但這項科技的潛力是所有國家及公司都不會想錯過的，就像前微軟首席研發策略長克瑞格·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，而是一個完全不同性質的新事物。」
