搞懂量子電腦，這5件事不可不知！全球瘋研商用，台灣躋身量子硬體產業鏈有優勢嗎？

要了解量子電腦，有5件事不可不知。首先，人類世界計算愈趨複雜，傳統電腦已無法解決，而量子電腦借助量子力學的「疊加」特性，實現計算狀態疊加，甚至「量子糾纏」可把量子位元（qubit）鏈接在一起。

因此，量子電腦在解特定類型問題時，會比傳統電腦更快、更高效。尤其在亂數產生、尋找未排序數列最小值、解決圖論（Graph Theory）中的節點連結、特徴吻合等問題，搭配設計多種量子演算法，可以解決傳統電腦辦不了的大問題。

而量子電腦目前聚焦於何種商機？例如生化、藥物開發過程中非常重要的「蛋白質摺疊」，由於古典超級電腦無法解決數萬種長蛋白質序列問題，但量子電腦新架構恰能解決這項複雜任務。它也可分析各式巨量數據，像是複雜的氣象數據等，提供更精確預測，讓人類能提早預警而減少損失和傷害。

此外，科學家也試圖用量子電腦解決全球暖化——透過開發碳捕捉或存儲技術，提高現有技術從空氣中提取碳的能力，或是探究分子之間結合或分裂時所涉及之原子級力量，以及探索電池能源——在原子級別進行虛擬實驗，模擬電化學的元素、材料、配方等，並可在虛擬實驗中進行操作和分析快速實現能量密度突破的組合。就如同使用導航求最佳路線解，傳統電腦只會模擬出一條路線，但量子電腦能一瞬間模擬所有路線並直接給出最優群解。

第4點是量子電腦還能對餐桌上的食物產生影響，因肥料生產中量子電腦將發揮極重要作用。含氮肥料使用的催化劑消耗了全球大量天然氣，年耗數千億美元並排碳污染環境。量子電腦可計算怎麼去探索並優化節能肥料所需的新催化劑，大幅減碳。

最後1項量子電腦的特點則是必須有冷卻系統，讓超導處理器保持在超低溫，在接近零下273°C的環境中運作，也對材料及製程技術要求極高，且由於量子的本質不確定性和對外界干擾的極高敏感度，使得高效的量子糾錯和檢測技術成為量子電腦一大門檻。

全球拚商用，哪些領域有利台灣？

隨著多量子位元（qubits）和更優相干時間（coherence times）的量子設備開發成功，如我國中研院近期已發表自研自製「5量子位元量子電腦」，這項進展對台灣來說是一大戰略地位的突破，有機會跨入量子硬體強國的產業鏈之中。尤其台灣強項的硬體製造，對國際上重視資安國防的友邦而言，台灣量子產業供應鏈是極端重要的戰略夥伴。

量子運算應用領域將擴及汽車、能源、醫療、新材料製造、化學製藥、人工智慧、網路安全和金融科技（如資本市場深度洞察、在毫秒級時間內做出正確決策）等。

目前國際上商用的量子電腦與應用，以美國127量子位元的IBM電腦及Google的70量子位元Sycamore電腦最有名。

我國量子科研及業界也正與國際量子標竿廠商有策略合作，像是美國IBM或AWS量子雲端運算平台（Amazon Braket），應用不同量子硬體架構下展開量子材料、元件及整合研究開發等。

Amazon Braket集結不同技術的量子硬體供應商，包括超導的Rigetti及牛津量子電路（OQC）、離子阱技術的IonQ、中性原子（Neutral-Atom）技術的QuEra及光子技術的 Xanadu等公司的多種量子運算硬體架構都集結於Amazon Braket上，其中離子阱技術的IonQ最新一代Aria的計算能力比前一代Harmony已大幅高出許多，我國開發者僅需少量程式碼修改，即可在不同架構中進行交叉驗證比對。

國際上商用量子電腦應用的發展過程帶來的著名例子，首先是化學模擬方面的優勢：如「固氮反應」製造肥料所需要的化學反應步驟，工業界催化固氮反應的關鍵是以哈伯法制氨，需要在高溫、高壓下進行，耗用極高能量。

但量子運算另一個做法，是利用細菌本身就有固氮反應的能力在常溫、常壓下進行製氨，傳統超級電腦無法有效模擬其固氮反應，但量子電腦將能破解其奧祕。

第2個有名例子，是在數理科研快速計算的例子「質因數分解」，這不像兩數相乘的公式那樣簡單，而是反過來將一個整數，拆解成2個相乘的質數。過去質因數分解不能快速解題，非對稱密碼系統之所以具保護性，也是仰賴「因數分解」等數學運算的困難性。

過去超大整數的質因數分解，即使傳統超級電腦的運算能力也無法在短時間破解。不過，量子演算法（Shor's Algorithm，可解質因數分解）已能在合理時間內完成破解。

量子電腦在產生真正亂數和處理非傳統二進位式資料會時占有較大優勢，例如傳統常用於金融市場的蒙地卡羅機器學習演算法，必須產生真正亂數才會有最佳表現，但新的量子電腦和人工智慧結合即可展現更強大能力，以目前RSA 2048標準來看，預期將可被6000個邏輯量子位元的大型量子電腦破解。

綜觀而言，傳統生化、材料或藥物開發面臨的大量運算時間成本問題，未來都將可被量子電腦解決，如過去70個原子的分子建模，傳統電腦需要長達130億年才能達成，而量子電腦在幾分鐘內即可完成模擬。但同時量子運算也將使傳統加密方法面臨風險，未來傳統電腦若無防範恐將被超快的量子運算破解敏感性資料。

傳統電腦以一系列的位元儲存資訊（位元為資訊單位最小值，0或1），但新世代的量子電腦是以量子位元（qubit）來儲存資訊。量子位元的值可以是 0、1，或2種狀態的混合（此技術稱作「疊加」）。事實上，量子位元的值是不確定的，它不像古典位元始終是0或1。

宇宙級算力，疊加特性是0也是1

量子位元的疊加和糾纏特性，使得量子位元可以不像傳統電腦位元只能為0或1，而是能夠同時為0和1，因此量子電腦可同時保存多個狀態或版本的資訊，使它得以進行大量資料的平行運算，處理速度比普通電腦快得多。

例如4位元組合數字問題，量子運算可以在4次運算後直接得到16種可能情形中的解答，在1,000次運算後即可找出20位元組合，100萬個可能的其中一組特定數字，運算次數只需要可能情形總數的平方根，其指數型的運算速度大大超越傳統超級電腦。

而為了使量子位元能被運用，量子必須達到量子疊加狀態（quantum superposition）和量子糾纏（quantum entanglement）2種物理狀態，且2個量子間須形成聯結，使得2個量子即使不處於同一個空間，卻仍可即時互相影響。量子可以是電子、離子或光子，只要能達到疊加和糾纏狀態就可做為量子位元。

以電子量子為例，電子自旋向下時能量最低，接著可利用特定頻率的微波脈衝加熱電子，使電子獲得能量後自旋向上，將量子置於矽晶體電極中，就可以量測到電流而獲知量子的狀態。

以雷射產生大量光子為例，當光子通過非線性晶體時，偶爾會產生成對光子，由於產生的光子極性相反，光子的相位一個若為垂直，另一個就必為水平，此時這對光子的狀態即為量子糾纏。而量子位元的讀寫則可透過微波、磁脈衝或雷射來達成。

錢潮伴風險，傳統加密首當其衝

目前主流5種量子硬體技術有半導體矽自旋量子、離子阱、超導、光量子和拓樸等。其中以半導體矽技術為基礎而發展的量子電腦可用標準CMOS產線相似製程。

2023年英特爾（Intel）發表名為「Tunnel Falls」（下圖）的12-qubit量子晶片。能準確控制2個電子之間量子行為，且錯誤率極低。電子量子態穩定度達99％，除了具可擴充性，錯誤率未來還可望再下降。

量子演算法能快速解決多自由度，龐大的線性代數問題，而機器學習（ML）正好大量倚重大量線性代數運算，因此量子演算法和機器學習結合應用在交通、醫學和金融等市場也吸引許多創投資金。

預期最快2到5年內，量子運算便會最佳化、密碼學和材料科學等。但量子運算也將使當前傳統的加密方法面臨風險、古典電腦若無防範恐將被超快的量子運算破解敏感性資料。

責任編輯：蘇柔瑋