文/資訊處 陳福吉

2020年10月6日在諾貝爾物理獎得主公佈前夕，大家都在猜測今年會是「擬態」、「粒子」還是「天文」領域會得獎呢?「擬態」算一算用輪的今年該輪到我了，「粒子」則是近年實務應用大躍進準備再次改變人類的生活而虎視眈眈，「天文」在2019年4月第一次拍到黑洞照片代表人類已觀測到理論上所謂的黑洞。這三個領域都是近代物理相當重要的發展，而筆者今天想跟大家分享正在悄悄改變我們生活的「量子計算」。(在撰寫這篇文章的當下，瑞典皇家科學院決定授予「天文」物理領域由Roger Penrose、Reinhard Genzel 與 Andrea Ghez獲得)

量子力學發展於計算設備上已有約50年的時間，在2011年時由D-Wave公司發展出第一台商用型量子電腦，宣告著量子計算開始進入商用的時代，不在只是實驗室中的產品。如同第一台商用積體電路電腦出生在1960年代，經過演變至今深深的影響著我們的生活周遭。未來可是量子電腦的時代，許多大廠像是Google、IBM及Intel都紛紛投入量子計算的研究，而美、中更是當成國家未來發展戰略目標之一。量子計算的能力是遠超過目前積體電路運算千百萬倍數而這倍數差距不是筆者能夠說出來的數字。回頭想想目前很多問題礙於計算能力的不足，無法得到正確的答案。若有強大的量子計算，是否代表握有先機，能站在上帝的視角看待問題。

舉個例，目前電腦系統處理方式採位元(bit)方式作為基準，數字系統用0、1表示，若有2個bit則它所有可能的排列共有4種分別為「00」、「01」、「10」、「11」，在找出這4種排列時，用傳統電腦則需執行4次才能把此狀況列舉完成，這狀況在量子電腦中只需執行1次即可完成。用另一種方式來說明上述例子，一個硬幣一次只能表示正面(0)或背面(1)，如同目前電腦系統位元的表示方式，一個硬幣不是正面就是背面。而量子位元可想像成此枚硬幣是呈現旋轉樣式，可以同時表示正面跟背面兩種狀態存在，量子狀態就有隱含著機率的概念，例如在疊加狀態下可能出現10%正面與90%背面，亦可能出現20.51%正面與79.49%的背面，所以理論上是可以產生無限多種疊加狀態，故只要運算一次即表現出上述案例的排列狀態。

來談談量子糾纏意指數個量子粒子結合在一起成為共同體，此時量子之間的狀態是連動的，量子糾纏現象可以讓運算能力爆發性的成長，如Google量子人工智慧實驗室主任 Hartmut Neven 所提出的”Neven Law”是種雙指數運算能力的成長。甚至有人提出運用量子糾纏打造全新的網際網路，概念就像是雙胞胎透過心電感應，來傳達彼此之間的訊息。

未來量子計算到來會影響很多生活上的改變，像是原本以為是很難的問題，都不在困難了。例如自然人憑證中應用的RSA加密演算法，它是一種建構於因式分解難題之上的演算法，在量子計算下原先幾百年才能破解的加密只需幾秒就能算出。另外像筆者在2020年6月一文「以達爾文基因演算法完成太陽能建置選址資料」也無需採用基因演算法了，一樣幾秒就能把所有選址結果列舉完成。原本基於計算安全的應用，都不安全了，但別擔心，傳統數學不夠複雜不夠安全就改用量子觀念來進行思考吧，許多研究學者也正採用量子行為過程中無法被觀測的特性，開始著手發展量子安全與量子密碼學。

雖然目前量子電腦有許多環境面上問題有待解決，不外乎減少整體運算過程中而產生的錯誤，這些問題也都在大廠投入後，逐一的解決中。或許量子計算不會像個人電腦這樣普及，但應該會像目前雲端主機服務一樣隨處可以取得。甚至若像2019年9月發表於nature physics文章「Quantum superposition of molecules beyond 25 kDa」所述，不需要小到像粒子即可產生量子疊加現象，勢必能讓計算設備上的發展更加容易。

量子計算預估是十年後會影響到我們的生活，強大的運算能力讓目前需要用到大量運算的人工智慧領域更為精進突破，屆時解決大部份目前電腦無法解決的問題。如今資訊電腦深深的陪伴著我們，大家或多或少需要一點資訊觀念才能駕馭電腦站在巨人肩膀上，而量子計算的到來勢必重新定義演算法、電腦系統...等領域，何不現在就開始學學量子力學。如同十年前筆者放棄了資訊安全密碼學領域轉入人工智慧機器學習，現在也該是要轉換到量子電腦相關領域的時候了。若看完了這篇文章對量子還是困惑不解，恭喜你正踏上明白它的路上。