量子电脑是什么？

传统电脑与量子电脑的差异有哪些？

在现代社会，电脑已经成为我们日常生活的一部分。从智慧型手机到笔记型电脑，从伺服器到超级电脑，这些都是基于传统电脑的技术。

传统电脑／经典电脑的运作主要基于「位元」，也就是0 和1。这些0 和1 是电脑的基本语言，它们代表电流的开或关。每当我们观看影片、启动应用程式或进行其他任何操作时，背后都是由这些0 和1 组成的指令在运作。这种二进制的运算方式使得传统电脑在大多数情况下都能够有效地运作，但在某些特定的问题上，它们可能会遇到限制。

量子物理的神奇特性：叠加、纠缠

量子物理／量子力学是一门研究微小粒子，如原子和光子等极小物体的行为的科学。在这个尺度上，物质的行为与我们日常生活中所经验的大相径庭。这在过去一直是物理学家和科学家研究的对象，但在现代，它也开始吸引电脑科学家的注意。

在量子物理中，有两个重要的特性：「叠加」和「纠缠」。叠加意味着一个量子位元（或称为qubit）可以同时处于0 和1 的状态，使其能够同时进行多个计算。而纠缠则意味着两个或多个qubit 可以被纠缠在一起，使得一个qubit 的状态可以依赖于另一个qubit 的状态，即使它们相隔很远。这些特性使得量子电脑在理论上具有极大的运算能力。

量子电脑的运作方式：量子位元

量子电脑主要使用量子位元来进行运算。这些量子位元不同于传统电脑的位元，它们可以同时代表0 和1，这使得量子电脑可以同时进行多个计算。

由于叠加和纠缠的特性，量子电脑在某些特定的问题上，比传统电脑更有优势。例如，它可以更快地找到大数据集中的特定资料或解决某些复杂的数学问题。这种运算能力使得量子电脑在某些特定的应用（如质因数分解）上具有巨大的优势。

量子电脑的重要性与挑战

量子电脑的出现为科学和工业界带来了新的机会。它们有潜力改变许多领域，如药物研发、金融模型、气候、交通模拟、电池与晶片研发、加密资讯等。

这些应用需要大量的计算能力，而传统的电脑在这些领域上可能会遇到限制。不过量子电脑也面临着许多技术挑战，例如量子位元的稳定性和超高误差率。量子硬体的错误率，与传统电脑相比，其比例可以差到10 的10 次方至10 的15 次方。必须要克服这些挑战，才能使量子电脑真正实用。

此外，量子电脑也不适合所有的计算任务，它们主要适用于解决特定的问题。

要推展量子运算，主要可以分成4 种物理模式，包括：

• 超导量子位元（如：Google、IBM、Amazon）
• 离子阱平台（如：Quantinuum）
• 量子光学
• 电子的正旋与负旋

量子电脑的领先组织与未来展望

目前，IBM Q System One 和Google 与NASA 都是量子电脑领域的领先组织。 Google 在2019 年宣布他们已经使用一台54 量子位元的机器达到了量子优越性。

此外，许多国家政府也在实验研究中投入了大量资金，目的就在开发具有更长的相干时间和更低错误率的量子位元，以解决量子位元的脆弱性质带来的问题。

在台湾，鸿海研究院中也有量子计算研究所。 2022 年该研究所的量子错误更正技术（又称「量子纠错」），获得了《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences，PNAS）肯定，该研究发展了新的量子错误更正的技术，构造出更优秀的错误更正码，提升量子硬体效能。

随着技术的进步，量子电脑有望在未来带来革命性的变革，并为社会带来前所未有的机会。