量子計算機：輕鬆解釋下一個計算前沿

我們生活在一個由運算能力定義的時代。智慧型手機、筆記型電腦、管理大量數據的伺服器：一切都基於經典計算機，這些非凡的機器徹底改變了我們生活的各個層面。

但有些問題非常複雜，即使是地球上最強大的超級電腦如果成功的話也需要數千年的時間才能解決。這就是一種潛在的革命性技術的用武之地：量子計算。但它到底是什麼？為什麼有這麼多人談論它？

超越二元：經典的極限與量子的出現

要了解量子電腦的特殊之處，我們必須先記住傳統電腦的工作原理。從本質上講，一切都歸結為碎片。位元是資訊的基本單位，只能呈現兩種狀態：0 或 1。就像電燈開關一樣，它們只能打開或關閉。所有複雜的操作，從觀看影片到管理資料庫，都依賴數十億個可以快速改變狀態的簡單開關。

這種二元方法對於絕大多數任務來說非常有效，但在處理具有指數數量的變數或可能性的問題時顯示出其限制。讓我們考慮一下透過精確模擬分子行為來發現新藥、優化複雜的全球物流網絡或破解非常複雜的密碼。對於這些任務，所需的運算能力急劇增長，很快就超過了傳統位的能力。

量子電腦提出了一種完全不同的範式，它不是基於經典物理學，而是基於量子力學的奇異且違反直覺的定律，量子力學是描述原子和亞原子尺度上物質和能量行為的理論。

IBM量子晶片

基本原理：量子位元、疊加和糾纏

量子電腦使用量子位元（量子位元）取代比特。區別是根本性的：

疊加：雖然經典位元只能是 0或1，但量子位元可以處於疊加狀態，這意味著它可以同時表示 0、1 或兩者的組合。想像一枚硬幣在空中旋轉：直到它落下並被觀察到，它既不是正面也不是反面，但兩種可能性並存。只有當我們「測量」量子位元時（就像硬幣落地時），它的狀態才會崩潰為定義值（0 或 1）。這種能力使得量子電腦能夠比具有相同數量基本單元的經典電腦同時探索更多的可能性。兩個量子位元可以同時代表4個狀態（00、01、10、11），三個量子位元代表8個，以此類推。使用 N 個量子位元，可以表示 2<sup>N</sup> 個疊加態。
糾纏：這也許是最奇怪、最強大的現象。兩個或多個量子位元可以變得“糾纏”，也就是說，無論它們之間的距離有多遠，它們都緊密地聯繫在一起，以至於它們有著相同的命運。如果我們測量糾纏量子位元的狀態，我們會立即知道其夥伴（或多個夥伴）的狀態，即使它位於宇宙的另一邊。阿爾伯特·愛因斯坦稱這種現象為「可怕的遠距離作用」。在量子計算中，糾纏允許量子位元以經典位元無法實現的方式關聯其屬性，為某些類型的複雜計算創建快捷方式，並實現量子位元之間的協調，從而進一步增強計算能力。

量子電腦的工作原理（簡要）。

建造和操作量子電腦是一項巨大的技術挑戰。以下是其工作原理的基本步驟：

初始化：準備好量子位元並將其設定為已知的初始狀態（通常全部為 0）。
操作（計算）：應用稱為量子閘的操作（類似經典邏輯閘，如 AND、OR、NOT）。這些閘通常透過目標微波或雷射脈衝製成，操縱單一量子位元的狀態或在它們之間產生糾纏，利用疊加來執行量子計算。整個閘序列構成了量子演算法。
測量：在計算結束時，測量量子位元的狀態。這個過程導致每個量子位元的疊加「崩潰」到經典狀態（0或1），從而提供操作的結果。由於量子力學本質上是機率性的，因此通常需要多次運行演算法才能獲得結果的機率分佈並確定最可能的響應。

主要挑戰之一是將量子位元保持在微妙的量子態。與外部環境（振動、熱、雜散磁場）的任何相互作用都可能導致疊加和糾纏的損失，這種現象稱為退相干，它會為計算帶來誤差。因此，許多量子電腦在接近絕對零度（-273.15 °C）的溫度下運行，並且需要複雜的屏蔽。

潛在的好處：充滿新可能性的世界

如果我們能夠建造強大且穩定的量子計算機，其好處可能會在許多領域帶來變革：

化學和材料科學：以前所未有的精度在量子層面上模擬分子和材料的行為。這可以加速新藥、更有效率的催化劑（例如生產肥料或捕獲二氧化碳）和具有所需特性的創新材料（室溫超導體、性能更好的電池）的發現。
人工智慧與機器學習：量子演算法可以增強人工智慧模型的訓練，識別大型資料集中的複雜模式，並解決許多機器學習任務背後的最佳化問題。
金融：對複雜的金融系統進行建模，優化投資組合，並更準確地定價衍生性商品。
優化：解決複雜的物流問題（例如「旅行推銷員問題」），優化供應鏈，更有效地規劃交通和能源網路。
密碼學：這裡有兩個面向。肖爾的演算法在足夠強大的量子電腦上運行，將能夠破解許多目前保護線上通訊和金融交易的公鑰密碼系統（例如 RSA）。這推動了後量子密碼學的研究，也就是也能抵抗量子攻擊的加密方法。另一方面，量子力學也提供了透過量子金鑰分發（QKD）創建本質安全通訊的方法。

我們現在在哪裡？ NISQ時代與未來的挑戰

我們目前正處於所謂的NISQ（吵雜中尺度量子）時代。這意味著當今的量子電腦的量子位元數量有限（從幾十到幾百，取決於技術）並且具有“雜訊”，即由於量子閘的退相干和缺陷而容易出現錯誤。它們還不夠強大或穩定，無法在大多數實際應用中超越經典電腦（稱為「量子優勢」的概念）。

主要技術挑戰包括：

增加量子位元的數量：為了解決真正複雜的問題，您需要數千甚至數百萬個穩定的量子位元。
提高量子位元的品質（降低雜訊）：增加相干時間和降低量子運算的錯誤率至關重要。
量子糾錯：開發有效的技術來檢測和糾正錯誤而不破壞量子資訊對於建立容錯量子電腦至關重要。
演算法和軟體開發：創建新的量子演算法和軟體工具來編程和製作這些複雜的機器。

儘管存在這些挑戰，進展仍然很快。世界各地的大型科技公司（如Google、IBM、微軟、英特爾）、專業新創公司（如 IonQ、Rigetti、Quantinuum）和大學研究中心正在大規模投資和試驗不同的技術來建構量子位元（超導體、捕獲離子、光子、中性原子、拓樸量子位元）。其中許多公司已經透過雲端平台提供對其量子原型的訪問，使研究人員和開發人員能夠開始探索這項技術的潛力。