傳統電腦要算46億年 它幾小時就可搞定
●作者為教育部高中數學學科中心研究教師、台北市3A教學基地中心主任，獲北市特殊優良教師
●量子電腦 何方神聖 驚人運算 怎麼來的
近年科技研究突飛猛進，物理學知識、資訊科技程式與材料還有數學演算法的跨域整合，有別於傳統電腦資料處理形式，使用量子邏輯計算的「量子電腦」（Quantum computer），讓許多原本要花數十年甚至數萬年的艱深問題得以用極短的時間（數天或數分鐘）運算推斷出結果，這樣驚人的運算力是如何做到的？我們是不是也可以體驗其中的操作？未來的世界會因為量子電腦的出現有什麼樣的改變？這一切……就讓我們從理解它的原理說起吧！
●量子位元 可表0或1 兩個世界 造就神算
世界上所有的數字、文字、圖片等訊息，輸入傳統電腦時都是使用0和1來表示與儲存，它的最小儲存單位稱為位元（bit），在量子電腦又有什麼不同的處理模式呢？舉例來說明：
假設要安排三位人員：阿亮、小蔡、敏彤坐兩輛計程車，目標是必須規劃分配座位確保旅程氣氛和樂，這三位人員的關係是：
阿亮與小蔡是朋友
小蔡與敏彤是敵人
阿亮與敏彤是敵人
我們希望透過座位分配達成兩個最大化同輛車的朋友數量，同時最小化同輛車的敵人數量。我們先來看看傳統電腦是如何執行這樣的問題：
步驟一：
將計程車編號為#0與#1，人員編號為A（阿亮）、B（小蔡）、C（敏彤）
步驟二：
在不考慮計程車搭乘人數，每個人都有2個選擇，因此共有23=8種方法將這組人分成兩輛車如表一。
步驟三：
定義最佳解決方案計算每項組合的分數，以達到目標的程度：
（朋友同一輛車）－（敵人同一輛車）＝分數
因此，所有組合的分數情況表二。
結論：
上述情形傳統電腦計算8次即能夠得到最佳解的答案為（0,0,1）或（1,1,0），也就是：
（阿亮、小蔡坐#0計程車、敏彤坐#1計程車）
（阿亮、小蔡坐#1計程車、敏彤坐#0計程車）
但若我們將此問題擴增到100人且不考慮計程車乘坐人數情形下，傳統電腦就需要2的100次方種組合計算，由於運算力問題因此無法在短時間內完成。
但如果使用量子電腦，由於每一個量子位元（qubit）可以代表0或1兩種狀況，也就是每一個量子位元有2個平行世界：其中一個世界量子位元為0、另一個世界量子位元為1；因此我們需要3個量子位元就可以一次出現8個平行世界的結果：（0,0,0）、（0,0,1）、（0,1,0）、（0,1,1）、（1,0,0）、（1,0,1）、（1,1,0）、（1,1,1），當我們給予它對應方案轉換分數的規則，量子電腦在瞬間就可以計算出最佳方案了！
●配對的量子位元 改變一個會連動
前面提到，量子電腦的最基本運算單位為量子位元，量子位元同時處於兩種物理狀態，例如80%的0與20%的1；我們可以用丟擲硬幣來比喻：如同傳統的位元表示硬幣頭像(1)或反面(0)，當硬幣在空中轉動時，硬幣不停的在頭像和反面轉換，在空中旋轉時就像是同時為1和0（這樣的狀態我們稱為量子疊加），而只有硬幣真正落下後才知道最後落在哪一面，也就是只有在測量時才可以確認量子位元的狀態。
而不同的量子位元間若將他們配成對，當再次分開到無論多遠時，只要改變其中一個量子位元則另一個量子位元亦會跟著變動，這就是我們所稱的量子糾纏；於是我們利用量子疊加與量子糾纏態建構積體電路後依靠控制原子、分子的量子態來展現強大的電腦運算能力。
●現有金融卡密碼 8小時就能破解
目前各國皆挹注大量的經費研究各領域的量子電腦開發應用，例如在金融業，以量子電腦快速運算結果而提供投資建議，找出投資報酬率最高的選擇；在製藥產業，量子電腦只要10分鐘就可以做完材料化學合成新藥計算；在人工智慧領域，量子電腦能快速計算龐大數據，讓機器學習效率提升；在交通運輸產業，透過量子電腦調配公司行號世界物流車輛運輸和物品運送路徑，並以量子電腦控管交通導航和虛實整合導引車流；目前加密機制下，若要破解現有金融卡密碼，傳統電腦預估得花46億年，但若以量子電腦只需花上8小時，這樣的結果恐將衝擊區塊鏈、加密貨幣和現行的金融體系。
量子電腦初期的應用在於特定領域解決特定專業問題，同時需要搭配傳統電腦作為運算升級之用（目前還有許多量子電腦的硬體錯誤更正技術尚待提升），但不久的未來，一旦它全面進入我們的生活，將對各個領域產生巨大的改變，如果你也想跟著時代脈動一起前進，那麼務必要提升數學邏輯、物理知識、資訊程式的運算思維等三大方向，相信你也會開啟屬於自己的量子電腦平行宇宙喔！
●了解量子電腦 遊戲帶你初體驗
假如你想進一步了解量子電腦，最好的方式就是從遊戲開始，在此介紹幾款實體和線上遊戲：第一個實體量子電腦桌遊就是由IBM所開發的「Entanglion」，遊戲中每個玩家擔任一個艦隊司令，奮力征服地圖上的各個星球。IBM公司開放套件供大眾下載，有興趣可以到https://reurl.cc/bEQddX走走。
IBM也開發了量子電腦遊戲App「Hello Quantum」，只需要了解每一個Gate（量子閘）運作方式，每個關卡都會有個目標圖形，玩家透過操作Gate來將上頭的「圓圈」轉換為「ON」或是「OFF」狀態，做出與目標相同的圖形即可過關，它有Android和iOS系統遊戲版本。
●波粒二象性 量子力學的核心
以物理學的角度來看，所謂的量子，指的是物理實體分割到最小的一個單位量，例如「光的量子」就是光的單位。
1905年，愛因斯坦發表了一篇解釋光電效應的論文而得到諾貝爾獎，他對於光電效應的解釋，說明光可以看成是一種波動，同時也可以看成是一種粒子，這就是所謂光的「波粒二象性」，這個波粒二象性就是量子力學的核心。
但要詮釋如上述在量子力學中宏觀物體會產生物理常識間的矛盾問題，以奧地利物理學者埃爾溫·薛丁格於1935年提出「薛丁格貓」的思想實驗最能說明發生事件的隨機性質，也就是貓會處於生存與死亡的疊加態。
這個實驗的內容是這樣的：把一隻貓以及一個裝有毒氣的玻璃燒瓶和放射性物質放進封閉的盒子裡。當盒子內的監控器偵測到放射性物質衰變時，就會打破燒瓶毒死貓。在實驗進行一段時間後，應用量子力學的詮釋，這隻貓會處於又活又死的疊加態（例如70%的機率是活著、30%的機率是死亡）；但假若實驗者觀察盒子內部，他會立即觀察到一隻活貓或一隻死貓，而不是同時處於活狀態與死狀態的貓。
請放心，上面這個實驗只是思想實驗而非真的做了，這個實驗的結果說明了量子在未真正測量前的疊加態；而量子位元（qubit）是量子電腦最基本的運算單元，為了使量子位元能夠被運用，量子必須達到量子疊加和量子糾纏狀態：也就是單一量子必須同時處於兩種物理狀態（疊加態），且兩個量子間需形成聯結，使得兩個量子即使不處於同一個空間，卻可以即時互相影響（糾纏態），如此才能做為量子運算基本單元。
【2022-10-17/聯合報/R06.07版/好讀周報動腦力】
