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／flickr IBM Q，https://www.flickr.com/photos/ibm_research_zurich/32390815144/in/album-72157663611181258/）

 

 

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。

 

 

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。

 

 

 

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」（quantum entanglement）。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's law），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2^2¹、2^2²、2^2³，這是今年Google量子人工智慧實驗室主任 Hartmut Neven 所提出的，又稱為“Neven Law” 【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 IBM 53 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IBM 20qbits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／flickr IBM Q，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／flickr IBM Q Credit: Graham Carlow，https://www.flickr.com/photos/ibm_research_zurich/26774588908/in/album-72157663611181258/）

 

 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！

 

 

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 IBM Q 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。

IBM 5位元的量子晶片（圖／flickr IBMQ，https://www.flickr.com/photos/ibm_research_zurich/26093923343/in/album-72157663611181258/ ）。

 

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 IBM Q5 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 IBM Q Experience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 Hadamard gate（H gate）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“Hello Quantum”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。

 

 

審閱：張慶瑞教授