量子計算機——人類技術的極限？

科技 04-11

從我們的歷史來看，人類的科技大都建立在腦、火與尖銳的棒子上。當火和尖銳棒狀物變成發電廠和核武器時，腦的大進化已經開始發生。自從1960年代來，電腦的運算能力呈獻指數性的成長，使得電腦愈來愈小，同時愈來愈強大。但是演化已經快碰到了物理上的極限，電腦元件尺寸正在趨近於原子的大小。為了說明這為什麼是個問題，我們必須要先講解一些基本知識。

電腦是由執行簡單功能的簡單元件所組合而成，以呈現數據，意思就是運算並控制機械。計算機晶元包含模組，模組包含邏輯門，邏輯門包含晶體管。晶體管代表著電腦的處理器里一個最簡單的型態，簡單說是個可以阻擋、通過信息的開關。而此信息是由比特構成，它可以設為0或者1，多個比特的組合通常代表著更複雜的信息。將晶體管組合後會變成邏輯門，它還是只有簡單的功能，例如，一個AND門只有在輸入值皆為1時才會輸出1，否則就會輸出0。最終組合不同的邏輯門形成了有意義的模組，比方說加法的功能模組。

一旦你能夠使用加法，你也可以使用乘法，一旦可以使用乘法，基本上什麼都可以做了。自從所有基本運算都比一年級的數學簡單，你可將電腦想像為一群在回答基礎數學題的7歲小孩。足夠數量的小孩可以計算所有的東西，不論是天文物理或薩爾達傳說。

然而，隨著元件愈變愈小，量子力學讓事情變得很詭異。簡而言之，一個晶體管只是一個電流開關。電流表示電子由一端流向另一端。所以開關就是可決定是否讓電子流過的單向通道。現今的晶體管尺寸大約是14納米，是艾滋病病毒直徑的1/8倍，並且是是紅血球的1/500倍。當晶體管小到僅幾個原子大的尺寸時，電子會無視阻擋將自己傳送到另一端，這現象稱作量子隧穿效應。

在量子世界裡，物理運作方式和我們平常看到的不太一樣，而傳統的電腦就開始沒邏輯了。我們的科技正一步步接近物理的極限，為了解決這問題，科學家嘗試利用量子物理不尋常的特性中的優點，方法就是建造量子計算機。在一般電腦中，比特代表著信息的最小單位。量子計算機使用的是量子比特，它同樣可以設成0和1。一個量子比特可以是任何二階的量子系統，像是自旋和磁場，或是單一的光子，0和1是系統中可能存在的狀態，就像是光子橫向或縱向的偏振。

在量子世界裡，量子比特不一定是這兩種狀態之一，它可以在他們間同時表現出所有的偏振狀態，這被稱作為量子疊加。但當你想把一個光子送到濾波器做測試時，它必須決定自己是縱向或橫向偏振。所以當它被觀測之前，量子比特就代表著0和1之間所有可能的疊加狀態，你無法預期是哪個狀態。但當你測量它的瞬間，它將會塌陷為一個固定的狀態，量子疊加狀態改變了遊戲的規則。四個傳統比特中，每個比特各自表示兩種狀態中的一種，這共包含了16種不同的組合，但只能使用其的一組。而四個量子比特則可以同時代表著16種狀態，每增加額外的量子比特，組合數將會是指數性的成長，20個量子比特就可以平行儲存100萬個數值。

量子比特還有一個詭異並不確定性的特性，那就是量子糾纏。它使另一組糾纏狀態的量子比特呈現與自己相反的狀態，就算他們之間被分開多遠都一樣。這意味著只要測量其中一個糾纏態的量子比特，利用這特性就能不用觀測而得知另一組結果。操控量子比特就像是腦筋急轉彎，一個普通的邏輯門有著單純的輸入，併產生一個固定的輸出。量子門輸入一個疊加，旋轉它改變機率，輸出另一個疊加。所以一台量子計算機操作部分的量子門產生糾纏，並控制機率，最後測量輸出，讓疊加狀態崩潰後得出最後結果的0和1。這意味著你可以將這麼多種可能性同時進行運算，最終你只會測量到一個結果，而這結果只是有很高的機率可能就是你要的。所以你可能要多計算幾次以檢查結果。但巧妙地運用疊加和量子糾纏，效率相比一般電腦將會是指數性的成長，所以量子計算機雖然無法取代現在的計算機。

在某些領域它們是非常優越的，其中之一就是資料庫搜尋。一般電腦再資料庫中搜尋可能要搜尋每一份資料，量子演算法只需要原來運算時間開根號的時間，這在大型資料庫上會有著極大的差距。

量子計算機中最著名的用法就是破解信息安全機制，現在你瀏覽的銀行郵件還是被加密系統給保護著，藉由你給其它使用者不同組的公鑰，來加密只有你能解密的訊息。問題是拿到公鑰的人可以計算出你的密鑰。幸運的是，使用一般的電腦必須花上數年運算，不斷地嘗試錯誤才有辦法解開。但對於量子計算機，由於運算速率是呈指數的增加，這可能只是小菜一碟。

另一個著名的用法就是當作模擬器。模擬量子世界非常地消耗資源，甚至是一些巨大的結構體，例如分子結構。它們通常缺乏精準度，所以為何不用真實的量子計算機來模擬量子物理環境呢？模擬量子環境可能讓我們更了解蛋白質的組成，這將給我們的醫學帶來革新。目前我們並不清楚量子計算機會個是專門用途的工具，還是為人類帶來重大革新。我們還不清楚科技的極限在哪裡，但只有一種方法可以找出答案。

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