超越摩爾定律主宰的量子運算技術，成為美、歐、中等技術大國高度關注的前沿技術發展。未來五年「量子運算」相關研究將大鳴大放，台灣科研機構與產業也應該同步關注的國際發展趨勢。科技部主辦 2018 未來科技展 Future Tech「量子電腦論壇」，解密量子電腦神秘面紗。
半導體的摩爾定律即將走到盡頭，大家殷殷期待救世主出現，而「量子電腦」被寄予厚望。它的理論基礎「量子」，曾讓在科學界有神級地位的愛因基坦說是：「鬼魅般超距效應」。如果連物理大師都有如此說法，可見量子電腦相關技術的影響力被整個社會高度期待。
IEEE 量子運算委員會主席、量子運算新創公司 Strangeworks 執行長威廉赫立 (William Hurley) 上個月在美國知名科技媒體 TechCrunch 發文形容：「量子運算是 21 世紀的太空戰爭」，而要了解這場戰役的重要性，必須先從「量子」談起。
從物理學上的「量子理論」開始講起
所謂的量子理論，是在原子和次原子的層級來解釋能量和物質；以電子為例，古典物理學偵測到一個電子，發現它在某個位置，便認定它一直在那裡；但量子理論則認為，當我們不去偵測電子時，它的波函數是散開的，四落在不同地方；一旦我們再去看它，電子又會出現在某一個位子。甚至同一時間以不同儀器觀察，也會看到不同樣貌。
東方的讀者有沒有一種似曾相識之感？量子理論所要闡述的，宛如佛教心經所說：「不生不滅、不垢不淨、不增不減」；只不過換成了量子，它是「又生又滅、既垢且淨、增增減減」。也就是粒子或物質在同一時間可具備多種狀態，正因為這樣的特性，隨之而來的應用就有無盡想像空間，在這眾多應用中，其中之一就是被視為摩爾定律救星的「量子運算」。
傳統的電腦運算是兩位元，非 0 即 1, 再利用 0 和 1 的排列組合來進行運算。量子運算則打破二元界限，「量子位元 (quibit)」可以同時是 0 和 1, 就像硬幣的正面是 0, 反面是 1, 把硬幣扔到空中，它不停在正反面間旋轉，兩種身份便同時存在。甚至量子位元還能疊加，具有 0+1+1+0….. 的延伸特性。
傳統電腦的運算步驟會被位元數所限制，例如要找出 4 位元的某組數字，傳統運算最多須嘗試 16 次才能找到答案，量子電腦只要 4 次就搞定；20 位元的某組數字，傳統電腦最多要嘗試 100 萬次，量子電腦只要 1000 次。
量子電腦走出象牙塔，箇中關鍵是「機器學習」技術發展！
Hardward Club 合夥人楊建銘指出，過去一直被關在學術界象牙塔裡的量子電腦，近兩年之所以突然成為熱門話題，最大推手是「機器學習」。因為神經網絡的矩陣乘法，若以二位元電腦來運算，硬體需求將呈指數成長；不過若換成量子電腦，僅呈線性成長，不被硬體需求所限制，未來可以走的路更長更遠。
國際巨頭把量子技術發展當成新一代太空競賽在看
目前各國政府、科技巨擘都在瘋狂投入量子電腦的研發，彷彿一場登上太空的軍備競 賽。根據英國經濟學人雜誌的調查， 2015 年對全球總計對量子電腦的國家級投資達到 17.5 億美元，第一名是歐盟的 6.43 億美元、其次是美國的 4.21 億美元、中國的 2.57 億美元、德國的 1.4 億 美元。這還不計入未公開的機密研發投資 。
歐盟在量子運算領域已有長達十年的研究計畫，今年開始，歐盟更將投入 10 億歐元成立「量子旗艦計畫」；牛津大學、荷蘭理工大學等學術界也來參一咖。美國的量子運算技術領先，不過卻缺乏國家支持的力量，今年已受到國會重視，大力投入。另外，加拿大、澳洲政府的官方投資也在上億美元之譜。中國雖公開表示，十年內量子運算的成果要超越美國，中企如阿里巴巴、騰訊也宣佈相關計畫，不過一般認為中國處在「跟跑」的狀態。
科技大廠包括 IBM、Google、Intel、微軟等也積極開發自己的量子電腦硬體；IBM 最近甚至大膽預言，三年之內量子電腦的效能將超越傳統電腦。有趣的是，量子運算新創公司 Rigetti 今年推出了「量子雲端平台」，揪大家一起來開發量子運算，眾志成城，希望更快實現各種應用。開發者可在這個平台上測試演算法，Rigetti 還提供 100 萬美元，誰先開發出量子運算的商業應用，就能抱走獎金。
各界也在攜手發展量子運算的標準，例如 IEEE 標準協會的量子運算小組，就正在發展兩項標準，一是量子運算的定義，讓大家能用同一語言溝通。二是效能評比標準，用來比較量子電腦和傳統電腦的效能差異。
量子電腦的幽冥級算力，雖讓各界期待，但目前仍有瓶項待克服，如何創造出量子，並讓它們存在得夠久來完成運算，都是挑戰。
威廉赫立表示，量子運算的目的是輔助並擴展傳統運算的能力，它不會取代傳統運算，而只是一個執行特定功能時更有效的新工具。事實上，量子電腦還須要傳統電腦的支援，例如在進行系統優化時就須仰賴傳統電腦。
他認為，量子電腦在能源、金融、航太領域，將更能帶來突破，幫助人類治療疾病、改善金融市場運作、解決交通問題等；最明顯的例子是，透過量子運算，新藥開發的過程能夠加速；或者大氣模型的判斷可以更準確，幫助我們追蹤或解釋氣候變遷的各種變因。「我把這類應用稱為『人道精神』的量子運算，期待這個強有力的新科技，能用來造福人類。」
從 PC 傳統電腦跨入 QC 量子電腦
誰才是未來新技術強權？
未來科技展-量子電腦論壇即將登場
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