【科技】量子霸權時代來臨？深入淺出解說量子電腦的原理、應用與未來衝擊
1. 先了解什麼是量子力學?
在這邊不得不推薦這部影片
雖然長達一小時，但以一個非理科生
真的是史上最入門的講解
並且帶你看許多實驗
直觀的讓你了解物理中的波與粒子
當然如果你時間有限，沒時間看影片
也可以繼續往下看沒關係
2. 什麼是量子?
在這邊幫沒時間看影片的朋友帶一下前情提要
介紹一位德國的物理學家普朗克
他在1901年提出了量子理論
在這理論出現之前
物理界普遍認為能量，像是光等等都是連續傳播的
但也因為"連續”這個特性，導致當時物理學家無法解釋某些物理現象
此時普朗克就思考，會不會"光是連續傳播"這件事根本是錯的
(當然到了近代，物理學家發現光其實同時具有粒子性與波動性，也就是「波粒二象性」)
透過實驗普朗克提出，光其實是不連續的
什麼叫做不連續呢?
可以看到下圖
圖的左邊，像是長度、溫度等等都是連續傳播的
圖的右邊，就是解釋能量是不連續傳播
能量是用一份一份的前進的
而我們常常喜歡幫事物取量詞
例如 : 一杯水、一張紙
而普朗克也幫這一包一包的能量取做”a quantum of energy”
這裡的quantum(量子)就是一個量詞單位
3. 那什麼是量子電腦?
傳統的電腦，大家都聽過都是由1或0組成
若想了解傳統電腦為何可以運算以及為何要用二進位
可以參考
延伸閱讀 : 為什麼電腦是只有 0 與 1 的世界？世界上只有10種人，一種是懂二進位的
傳統電腦計算單位是1個位元(bit)
而量子電腦的單位是量子位元(qubit)
量子電腦跟傳統電腦不同之處在於
傳統電腦的位元是打開或關閉的電子訊號
因此，傳統電腦位元的值只能是1(開) 或 0(關)
但量子電腦的量子位元卻是可以同時是1跟0
我們稱這種狀態叫 : 量子的”疊加態”
疊加態我們用更簡單好理解的丟擲硬幣比喻
硬幣可為頭像(1)或反面(0)就如同傳統的位元
將硬幣擲到空中轉動時，硬幣不停在頭像和反面轉換
在空中旋轉時就像是同時為 1 和 0
只有真正落下後才知道最後落在那一面。
所以物理學家利用量子疊加態的特性來做平行運算
讓運算能力大幅提升
1個量子位元處理的速度是1個傳統位元的2倍
而2個量子位元可以處理00、01、10、11共四種狀態
所以速度會是傳統2個位元的4倍
同理，3個量子位元可以處理2的3次方，共8種狀態
所以速度是傳統3個位元的8倍速度
後面以此類推
也就是說，量子電腦的量子越多，能處理的資訊量就會等比級數增加。
下圖是台灣中研院的量子電腦
延伸閱讀 : 全台最快電腦開箱！量子電腦會顛覆未來嗎？台灣的量子電腦研究到哪一步了？
4. 量子電腦的發展
世界第一台量子電腦是1982年由美國物理學家費曼發明
但功能上僅止於初期階段
1997年MIT計算機工程學系與物理學系兼任教授Isaac Chung
開發出2個量子位元的量子電腦
1999年日本家電業者NEC成功開發量子電腦的固態電路元件
2011年韓國科學技術院成功開發3個量子位元的量子電腦
2019年Google研發的量子電腦，只花3分鐘就輕易解開超級電腦
需要花1萬年運算的問題
註 : 台灣中研院在2023年10月成功自製5個量子位元的量子電腦
5. 量子電腦的應用與影響
5-1. 通訊
上面介紹了量子的重要特性 : 疊加態
接下來介紹另一個量子很重要的特性 : 量子糾纏
你可以想像就是兩個量子好像用細線將他們糾纏在一起
而且糾纏的兩個量子不管離多遠
他們還是會連在一起
因此量子糾纏被應用於通訊
更精確一點叫做 : 量子加密通訊
也因為量子是無法再分割的最小單位
可以讓發訊者與收訊者之間的通話無法被入侵
目前傳統電腦的通訊是利用0或1通訊
就算有防止駭客的資安功能，也無法完全防堵駭客的攻擊。
而量子加密通訊在資訊傳輸端與接收端分別加上量子加密金鑰分配器(QKD)
每次都使用不同金鑰
金鑰只能由收訊者與發訊者看到
如果中間被駭客入侵
密碼就會再次更新，使駭客入侵失敗
5-2. 資安受挑戰
當今許多通訊是用「公開金鑰基礎建設」（PKI）來保障安全
這套系統開發於1970年代，目的是執行大規模加密。
PKI讓網路經濟和開放的電信系統得以興起。
電郵帳號和網路銀行的密碼、安全的通訊平台，
全都要靠這套系統，對許多政府和國家安全通訊來說也很重要。
因為量子電腦運算非常快
就可能去破解這些金鑰
5-3. 區塊鏈與比特幣
現行的比特幣協定，
利用生成一個特定的隨機數(nonce)做為新區塊鏈生成的必要條件之一
而生成這個隨機數需要大量的計算能力
礦工挖礦就是提供計算能力，並獲得比特幣做為獎勵
然而偶爾會有兩組礦工同時宣告兩個不同的區塊
此時比特幣協定會以已完成較多運算的區塊為主
抛棄另一個落後的區塊
這會導致網路中擁有多數運算能力的礦工永遠獲得下一個區塊
成為控制比特幣帳簿的主宰
如果量子電腦加入挖礦的行列
並且展現出壓倒性超出其他礦工的計算能力
整個比特幣市場就可能瓦解
5-4. 其他應用
因為計算能力大幅提升
量子電腦期待可以推進生物醫療、新藥市場、航太產業、天氣預測等等
需要大量計算的領域
6. 總結
經由上述介紹
就可以理解為何有量子霸權一詞的出現
也就是哪個國家或企業
一旦掌握量子電腦，就擁有更快的計算能力
也就可以領導並推進許多領域的發展
📎參考資料
- 量子電腦的原理、挑戰與未來衝擊
- 一本書讀懂科技趨勢關鍵詞
- 史上最入門的方式講解：到底什麽是量子？量子從何而來？| 超基礎、新人友好
- 你設的密碼都會被破解！量子技術1年後將變成資安天敵？
- 什麼是量子運算？-AWS
- 量子電腦的原理、挑戰與未來衝擊-國家實驗研究院
