超乎想像的運算力：量子電腦時代來臨，幾件你需要知道的事

臺灣大學IBM 量子電腦中心主任張慶瑞表示，IBM 希望15 年內讓量子位元數突破千萬， ... 即便達到量子狀態，要長時間控制它也不容易，像IBM 就採超導體材料製造量子位 ... 跳到主要內容 展開搜尋 全站搜尋 熱門關鍵字： 半導體 精準醫療 太空 煙火 關閉搜尋 分類 分類項目 關閉分類項目 地理 天文 化學 醫學 科技 社會科學 人類文明 地科 心理 物理 數學 環境 生物 生活科學 醫療 地球科學 Menu 關於我們 文章 本月熱門文章 最新文章 精選文章 科學專題 影音 TechTalk 影音&廣播 活動 學生專區 夥伴 認證 公務人員 教師 網站導覽 English 首長信箱 常見問答 雙語詞彙 關於我們 文章 文章 本月熱門文章 最新文章 精選文章 科學專題 影音 影音 TechTalk 影音&廣播 活動 學生專區 夥伴 認證 認證 公務人員 教師 ::: 首頁 文章 最新文章 PleaceLogin! × 請先登入 登入 註冊 facebook twitter plurk line 中 列印 書籤 ::: 超乎想像的運算力：量子電腦時代來臨，幾件你需要知道的事 108/09/25 瀏覽次數 48897 簡鈺璇｜ 科技大觀園特約編輯 臺灣大學IBM量子電腦中心主任張慶瑞表示，IBM希望15年內讓量子位元數突破千萬，屆時傳統電腦耗費「萬年」才能計算的線性代數難題，量子電腦在數分鐘就可迎刃而解，因此現在密碼學的系統必須調整，立即進入「抗量子」時代。

為什麼「量子電腦」像隻巨獸般無所不能呢？難道它是「超級電腦」的加強版，由更多的位元組成嗎？不是的，傳統電腦和量子電腦是兩種截然不同的資料處理形式。

IBM量子電腦的內部構造，上面的一根根的都是同軸電線。

（圖／flickrIBMQ，https://www.flickr.com/photos/ibm_research_zurich/32390815144/in/album-72157663611181258/）   神秘的量子行為，連愛因斯坦都無法接受   傳統電腦以位元（bit）的形式處理資料，每一個位元會在兩種狀態中切換，這兩種狀態被標為0和1；量子電腦則用量子位元（qubit）來做，它可以0、1的線性組合的疊加態。

  量子位元在疊加態（superposition）時，張慶瑞主任表示，假如把位元的位置以球體標示，南、北極位置分別代表0和1，傳統電腦的位元只能在兩極之間切換，但若是量子位元疊加時，它能在二維球面上任何位置，不限於南北極。

  傳統電腦與量子電腦的位元差別。

（圖／沈佩泠繪）   量子電腦的具體表現，可以用「翻硬幣」的量子博弈遊戲來想像，一個黑盒子中有一枚硬幣，你跟電腦輪流去黑盒子裡翻硬幣，你可以選擇翻或不翻，你和電腦都不會知道彼此對硬幣做了什麼，數輪下來，打開盒子如果是人頭朝上就是你勝，反之就是電腦勝。

張慶瑞表示，如果是古典博弈，你跟古典電腦的勝率各是一半一半，因為古典行為只有翻或是不翻，位元只能以0、1兩種方式呈現；但量子電腦不一樣，它在黑盒子裡可能不直接翻成正或反面，而可能是將硬幣「轉動」起來，而這個量子轉動，不懂量子策略的人無法察覺。

最後，只要你一開蓋觀測，硬幣就會變成反面朝上，量子電腦勝率達百分之百。

這聽起來非常不可思議，對吧！連愛因斯坦也難以接受量子力學，他曾說：「是不是只有當你在看它的時候，月亮才在那裡呢？」這個奇怪問題點出「量子行為過程無法被觀測」的神秘性質。

沒有人知道在黑盒子裡，量子電腦到底對硬幣做了什麼事情，量子具體處在什麼位置，只要我們一觀測，量子疊加和糾纏等行為便會消失，量子就恢復古典粒子行為。

「要了解這個現象，恐怕要讀個十幾年物理學了。

但現在量子電腦都被製造出來，你不如就接受它、用它吧！」張慶瑞笑著說。

  臺大IBM量子電腦中心主任張慶瑞曾至IBM參訪與量子電腦合照。

（圖／張慶瑞提供）   量子糾纏　帶來雙指數成長的計算能力   量子的神秘力量不只如此，當粒子處於量子狀態時會有糾纏的特性，又稱為「量子糾纏」（quantumentanglement）。

如同字面上的意思，「糾纏」指的是數個量子綁在一起成為命運共同體，張慶瑞提到，這就是「你泥中有我，我泥中有你」，彼此的狀態會連動，力量還能夠加乘，同時處理不同於古典電腦的計算。

大家都聽過「摩爾定律」（Moore'slaw），指的是積體電路上容納的電晶體數量，每隔兩年便會增長一倍，大致說明電腦運算能力會呈指數型的成長，即2¹、2²、2³。

不過，張慶瑞表示，纏繞特性會讓量子電腦的計算能力以「雙指數成長」，即22¹、22²、22³，這是今年Google量子人工智慧實驗室主任HartmutNeven所提出的，又稱為“NevenLaw”【註解1】。

去年世界最快超級電腦Summit每秒能夠執行20億億次（2*1018）的浮點運算，它的非揮發性記憶體（NVRAM）達800GB（gigabyte，10億位元組）【註解2】。

但張慶瑞提到，如果能控制量子彼此糾纏，並經過運算的除錯程序，量子電腦就能以40個左右邏輯量子位元，達成「兆」位元（1012）才有的運算能力，目前一般認為一個有除錯功能的邏輯量子位元，可能需要一千到一萬左右的物理量子位元組成。

「這很難做到！」張慶端表示，目前IBM開放5個量子位元供大眾使用，只有兩位元糾纏而已，臺大與IBM合作可使用20個量子位元，也沒有全部位元糾纏。

今年十月IBM53個量子位元的新機器即將上線，預計有16個量子位元可以直接糾纏【註解3】。

  圖左上是IBM20qbits系統，圖下是50qbits系統示意圖，可以發現量子位元沒有全部彼此互聯，圖右上則是量子處理器的封裝照。

（圖／flickrIBMQ，https://www.flickr.com/photos/ibm_research_zurich/38270974841/in/album-72157663611181258/）   張慶端進一步解釋，量子難以糾纏是因為粒子是很難達到量子狀態，即便達到量子狀態，要長時間控制它也不容易，像IBM就採超導體材料製造量子位元，並以微波控制位元，但超導體必須在接近絕對零度（-273.15℃）的嚴苛環境下運作，亦有相干狀態壽命短等許多問題待克服，目前各國科學家還在尋求不同方式突破，主要當然政府也砸錢支持才會有突破。

為了維持超導體的低溫，量子電腦下方會裝設稀釋冷凍器。

（圖／flickrIBMQCredit:GrahamCarlow，https://www.flickr.com/photos/ibm_research_zurich/26774588908/in/album-72157663611181258/）   量子電腦的應用：量子通訊、量子金融    目前世界上量子電腦商業運轉的進程是IBM量子電腦53位元，去年（2018）Google發表72位元的量子處理器，但並未提供大眾使用。

張慶瑞表示，量子電腦至少要500位元以上才能逐漸顯現威力，並進入量子優勢的階段。

儘管量子電腦離商用還有段距離，不過現階段量子科技已在量子通訊及軟體應用上百花齊放呢！   IBM量子電腦實驗室，電腦裝在白色的罩子中受保護。

（圖／flickrIBMQ，https://www.flickr.com/photos/ibm_research_zurich/38296273694/in/album-72157663611181258/）   張慶瑞提到，糾纏的量子之間，當一方狀態改變，另一方也會跟著變，所以開發量子網路系統就能增加訊息傳遞效率，因為知道一方的內容，就能得知另外一方的訊息。

再者因為量子不可測量的性質，如果以量子作為秘密鑰匙，任何嘗試取得密碼的行為，都會造成量子狀態改變，因此可確保通訊無法被竊聽。

軟體開發以及應用部分正是「臺大IBM量子電腦中心」主攻的部分，張慶瑞提到今年在科技部支持下與IBM合作成立量子電腦中心，提供臺灣學界連接進入IBMQ系統的服務平臺。

目前IBM提供20個量子位元供臺灣的學術界成員使用，主要著墨的部分有兩類，一是處理基礎物理和化學的計算問題；二則是解決特定問題，尋找最佳解，例如：貨車要跑100個地點配送貨品，如何配送最有效率；工廠進出貨如何管理最有效率，金融最佳投資與風險控管等。

「現今70%量子電腦相關的新創公司，都只針對一個特定問題來研究與發展量子電腦解決方案。

」張慶瑞表示，量子電腦最適合解複雜和大數據的難題，量子人工智慧、量子金融與區塊鏈都是很熱門的題目， 根據IBM報告估計，他們期待在15年後能進入千萬量子位元時代，也就是有超過1000個除錯的邏輯量子位元。

屆時不用量子電腦就會喪失競爭力，因此即便現在硬體還不到位，新創公司也要搶奪先機、申請專利。

「我現在常跟大學生開玩笑說，你們及你們的下一代，應該無法脫離量子電腦了！五十歲以上可以不學，但是20歲以下必須要立刻開始。

」張慶瑞坦言，這兩年大家才驚覺量子電腦的時代即將來臨，但大多並不重視，就如同1968年個人電腦剛出現一樣，當時並不知道現在會有人手多機的世界。

IBM5位元的量子晶片（圖／flickrIBMQ，https://www.flickr.com/photos/ibm_research_zurich/26093923343/in/album-72157663611181258/）。

  在家就能用量子電腦了！ 跟上前沿科技的第一步，從學寫量子電腦程式開始 IBM在2016年就推出IBMQ5五位元量子電腦，供大眾在線上體驗量子電腦，在家就可以在IBMQExperience上註冊帳號，雲端連線使用它了！ 至今全球約有18萬名用戶在IBM量子電腦上做超過1千萬量子電腦模擬計算，並發表超過150篇量子電腦相關文章，台灣目前則有約50名用戶【註解4】。

不過目前它沒有辦法像現在電腦一樣友善，有各種軟體直接幫你解答，你必須要自己寫程式告訴它：問題是什麼及如何解決問題。

不過，學習量子電腦的程式語言並不會太難，所以全球目前有許多聰明的高中生也在使用。

張慶瑞表示，只是你要懂一點物理與數學，又有Python的程式語言基礎，把一些量子概念像是Hadamardgate（Hgate）等概念加入程式中，努力就可以學會。

臺大IBM量子電腦中心不定期開設量子電腦的入門課程，臺大校內也有選修課，每個月巡迴到臺灣各大學舉辦量子電腦課程。

目前正預備辦理高中老師的培訓，希望也能在高中推廣量子計算的應用，培育未來的人才。

九月底科技部也與量子電腦中心合辦「量子電腦導航」，內容包括：量子電腦與其計算原理、量子程式教學、量子邏輯閘初用，大家可以至臺大IBM量子電腦中心查詢相關活動。

如果覺得學寫程式太可怕，不妨就下載IBM推出的“HelloQuantum”的手機遊戲吧！用破關解題的方式，逐步認識量子電腦的運算規則。

破關征服它後，說不定你會愛上它。

  臺大IBM量子電腦中心（圖／臺大IBM量子電腦中心提供）   審閱：張慶瑞教授 摩爾定律(8) 量子糾纏(3) 量子電腦(12) 姓名標示─非商業性─禁止改作 本著作係採用 創用CC姓名標示─非商業性─禁止改作3.0台灣授權條款 授權. 本授權條款允許使用者重製、散布、傳輸著作，但不得為商業目的之使用，亦不得修改該著作。

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