文:毛柏毅

說到量子電腦，你會想到什麼？是Google聲稱的「量子霸權」，是傳說中能夠做出人造蟲洞的科幻機器，還是隨時可能讓你的銀行帳戶被掏空的黑科技呢？

其實，量子電腦強大的運算速度和它背後無盡的潛力，不只讓全球的科技龍頭Google、IBM、微軟、Intel都各自掏出大筆大筆的經費研究，連美國政府都不惜成立專門的機構，只為了讓美國能夠在量子計算的領域持續領先。

雖然近年我們不時會聽到某某公司成功製造出更強大的量子電腦，然而比起科幻小說或陰謀論那般「輕易破解現有的加密」，或是報章雜誌所言「融入我們的日常生活」，理想與現實之間還是有不小的距離。而科學家目前面臨的最大問題，便是如何製造出一臺「不只能正常運作，還要能夠穩定地持續運行」的量子電腦。

傳統位元 V.S.量子位元

我們日常中使用的各式電子產品，不論是家裡的電腦、無所不在的行動網路、甚至是搭捷運時刷的悠遊卡，這些我們平時習以為常的事物，背後都是一連串電子訊號的傳遞、儲存，也就是我們經常聽到的「一連串的0和1」，或者說「位元」。而這些位元在物理世界的體現，通常是將電壓的高低轉換成0或1其中一個，兩者之間有個明顯的界限，儲存的資料非黑即白。

然而量子電腦的基本單位「量子位元（Qbit）」就不一樣了，透過量子力學特有的「量子疊加」，一個量子位元能夠同時代表很多個位元，就像是一枚特別訂製的硬幣，有特定的機率會出現正面或反面（不一定得是一半一半），在我丟出這枚硬幣，在空中旋轉，直到落地之前，你是不可能知道它落地時會是正面還是反面的。

也許你會想說，如果你知道了這枚硬幣丟出時的速度、位置、旋轉角度，甚至是周圍的氣溫、風速、丟了硬幣的我早餐吃了什麼，考慮所有的因素之後，你就能算出這枚硬幣會出現正面還是反面。然而經過科學家的研究。證明這種作法是不可能成功的，至於為什麼呢？這又是另外一個故事了⋯⋯

總而言之，這種可以同時代表很多種可能的特性，讓在普通電腦得用數百萬種可能性模擬的問題，量子電腦能夠僅僅用一千次的運算就能找出答案，達到傳統電腦耗時的平方根，甚至更少的時間。這樣強大的能力，在資源消耗呈指數增長的因式分解等問題上就顯得更加寶貴。

不穩定的量子位元

然而量子電腦的前景雖然看似美好，但現實還是很骨感的。量子位元能夠一次表示多種可能性的特性，雖然為資訊科學領域開拓了無限的潛力，但也意味著它的訊號更容易受到外界的干擾而變質，也就是所謂的「雜訊」。這些雜訊會隨著運算的時間增加而增長，真正有用的訊號也會跟著指數遞減，量子電腦也很快就會被沒有意義的資料填滿。

就像老式的類比訊號收音機一樣，如果把收音機拿到很厚的牆內，或是遇到地磁、微波爐等干擾電波訊號，播出來的聲音就會出現無意義的雜訊。類似的，對於精度要求特別高的量子電腦，只需要些微的振動或電磁波干擾，甚至是溫度上升導致的些微熱擾動，量子位元仰賴的量子特性就會在轉瞬間崩塌。就算它勉強守住了最後一道防線，勉強維持著我們原本想要的資料，但這樣的量子位元已經出現了雜訊。而在外界的持續擾動之下，雜訊的問題只會變得越來越嚴重，直到我們計算的結果變成一堆「不成資料形」的垃圾訊號。

作為使用者，我們當然會希望能夠降低這些雜訊出現的頻率，藉此獲得更穩定的量子電腦。然而這往往需要極為苛刻的物理環境，例如世界上第一臺商業化的量子電腦「 IBM Q System One」，即便已經透過各種方式抵銷掉可能的誤差，它仍需要在接近絕對零度的環境下運作，外圍還得加上厚達 0.5 吋的特殊玻璃，用來阻擋一切可能從外界干擾量子電腦運作的因素。

然而即便是這樣的層層保護，也不足以讓我們的IBM Q System One穩定運行著名的秀爾演算法（當然了，該電腦的位元數量不夠，也是演算法執行失敗的一大原因）。此外，要維持這樣苛刻的環境，也需要持續挹注極大量的經費和資源，因此除了從工程的角度盡可能降低環境的需求，科學家也開始嘗試從運算的方面著手——降低量子電腦運算的「深度」。

用平行運算降低運算深度

所謂的運算深度，簡單來說就是電腦執行任何操作的次數。在傳統電腦解決問題的時候，經常會用到許多深度不小的演算法來處理。然而對量子電腦來說，運算深度每多一點點，雜訊也就會跟著多一點點，累積下來的雜訊也會十分可觀。幸好，在科學家們多年的努力和累積之下，傳統資訊科學領域早已為我們準備好了一個方便的工具：「平行運算」。

平行運算，也就是把要處理的問題分化成好幾個可以分別執行的流程，再讓數台電腦分別執行，最終將所得的結果彙總，算出最終的解答。好比一份數百題的數學考卷，與其交給同一個人一題一題的算，不如把每一題分配一個人運算，結合幾百個人的的頭腦，不僅能夠減緩一個人的負荷，也能夠大幅降低運算的耗時與深度。同樣的技術，在某些特定的情況下也能夠在量子電腦上實現，我們也能夠因此降低運算的深度，進而減少運算過程中產生的雜訊。

當然了，在國外大廠爭奪量子電腦的聖杯時，我們臺灣也沒有落於人後。中央研究院也正攜手清華、中興、彰師、中山等大學，如今已經成功掌握製作、操縱並讀取量子位元的技術，預計在接下來五年內就能做出整台量子電腦。包括前文所述的量子平行運算，也是我們清華大學林瀚仚教授的研究成果。如果你也對這充滿無限可能的領域感到好奇，不妨從看看其他科普媒體開始，也許下一個帶領臺灣量子電腦發展的關鍵，就掌握在你的手中……