來自工科系的量子電腦概論

工程科學系 李哲明 教授簡介量子電腦的演講。 一直對量子電腦這個技術很感興趣， 同時也帶有一定程度的恐懼，因為他的計算能力， 能破解目前絕大多數的加密演算法。 所以很興奮的報名了這場演講。

我本來以為量子電腦是資訊工程的領域， 想不到卻是工科系，我甚至不太清楚工科系是幹麻的。 感覺像是把幾個領域合在一起成立一個系， 有量子電腦、資訊、電機、應用力學、奈米， 總之我看不出關聯。 這次的李哲明就是研究量子電腦的工科系教授。

李哲明教授說他其實也是半路出家， 接觸到量子理論，才知道量子電腦， 才因此感興趣而走上研究之路。 其實量子理論對理工科系不算太遙遠， 從化學中原子的電子軌域，到物理的光電效應， 甚至電荷、電解，也都是量子的。

量子是指 不連續 、存在最小單位， 例如一顆移動中的粒子，可能帶有一焦耳的能量， 但也可以是0.5焦耳、 0.1 焦耳、 0.001 焦耳， 可以有任意大小的能量，因為傳統上認為能量是連續的， 不存在一個能量的最小單位。 但電荷就可以很明顯的看出量子的概念， 因為你不可能帶有半個電子的電量， 電子是不能被切一半的，所以電量是有最小單位的。

這些量子在微觀下不可思議，但在巨觀下， 卻又會回到我們熟悉的連續系統。 也就是只在某些特殊應用中， 才看得出量子理論的神奇所在； 例如本次的主題量子電腦， 就是量子理論在微觀下神奇的結果。

但以量子字面的意思望文生意來解釋， 量子電腦反而不太 量子 。 傳統電腦在一個位元只能儲存0或1的資料， 但量子電腦則可以儲存多比資料， 此時稱一個量子位元是處在 疊加態 ， 從而在搜尋最佳解的問題上， 能同時探索多種可能而加速計算。 因此，量子電腦看來反而是 連續 、 模糊 的， 傳統電腦的非0即1則較 量子 。

量子電腦除了能快速計算質因數分解， 使目前主流的RSA加密演算法無用武之地； 但同時也創造了新的可能性，以量子纏結的理論基礎， 研發更安全可靠的加密演算法，稱為量子密鑰分發， 已經在理論上證明，就算同為量子電腦，也不可能破解。

量子纏結是一種神奇的現象，只要彼此纏結的量子， 不管相隔多遠，都保有纏結現象。 對一個粒子的測量結果，在另一個粒子上必得到相對的結果， 被愛因斯坦稱為 鬼魅般的效應 。 由於其無視距離限制，某種程度上打破了宇宙中的極速光速限制， 常被加上不可思議的面紗。

量子電腦不同於傳統電腦，論運算速度並無更快， 而是量子位元能處疊加態，同時平行運算，才是強項。 因此使用針對量子位元開發的量子演算法， 才能真正發揮量子電腦的實力。 目前已有大量數學家、電腦科學家投入研發。

目前量子電腦的門檻在於，要維持量子態的長時間存在。 維持量子態要避免外界的雜訊干擾， 只能在極低溫下進行，只要稍有雜訊，即會影響運算結果。 因此目前的量子電腦，能使用的位元數遠低於實用層級， 還在實驗階段。

目前量子電腦應該是可預見的既傳統電腦後，第一次大幅進化， 只是量子電腦是否真是未來電腦的完美型態？ 傳統電腦耗電且產生大量廢熱，能量運用效率極低， 量子電腦也因此量子態的維持，需要大量能源。 相對生物的大腦，推理能力、記憶力， 雖然在目標導向下不如傳統電腦； 但在神經元層級上的運算量、能儲存的片段記憶，卻不輸給傳統電腦； 且在能源消耗下是遠勝傳統電腦與量子電腦。 可惜生物電腦目前僅能在科幻小說中實作， 透過人的想像力過過乾癮，離理論成型還有十萬八千里。