革命性科技：量子電腦

撰文／Jack Parsons
轉載自《HOW IT WORKS 知識大圖解》2020年6月第69期

新一代的數字處理器用上了粒子之力：速度超快的電腦將如何改變世界？

科技巨擘Google聲稱已實現了「量子霸權」，聽來雖不可思議，但這代表旗下的Sycamore處理器已能完成一項無從匹敵的任務：在3分20秒內，解出一道複雜至極的數學題。該搜尋引擎巨頭表示，即便用最先進的超級電腦苦算1萬年，也不一定解得了這道題。不過，Sycamore卻辦到了，因為它並非僅是現有科技的升級版，而是擁有截然不同的運作模式。

Sycamore是台量子電腦，意即會由粒子的奇異行為所驅動。其先進的處理能力有望用來治療失智症或研發人工智慧。正因如此，難怪各大科技公司無不竭力開發自家版本。就連各國政府也挹注了數十億美元的研究經費。其實，美國和中國政府之間互相爭鋒，可說是「21世紀的太空競賽」。

儘管對Google來說，Sycamore可謂一大躍進，但就整場技術革命而言，這不過是第一步而已。量子電腦所蘊含的物理學如此非凡，艱鉅至極的挑戰因此隨之而來，且大多仍未被解決。

想理解量子電腦的運作原理，就得先接受一個驚人的事實：物體可同時出現在兩處。沒錯，這頗難理解。首先，人類無法如此感知事物。再者，數世紀以來，牛頓為首的科學家聲稱世界會以可預測的模式運行。比方說，樹上掉下的蘋果即便可能會先砸到頭，但終會落地。將蘋果帶回家中廚房後，也不可能一轉頭，它就在廁所出現。

然而，上述規則並不適用於次原子尺度。所謂的「量子」代表所測得的最小量，即宇宙的基本組成單元。20世紀初期，尼爾斯．波耳、維爾納．海森堡和埃爾溫．薛丁格等科學家發現，雖然幾乎可在任何地方找到粒子，但在某一特定點找到粒子的必然性卻為零。原因在於：粒子可同時出現在兩個地方，例如電子能同時向上、向下旋轉。

物理學家將這種行為稱為「疊加態」（superposition）。更複雜的是：疊加態僅會在不被注意時發生。在著手測量當下，粒子便失去曖昧不明的狀態，只會往一個方向旋轉。物理學家能做的就是：算出粒子被觀測時，呈現出何種狀態的機率。

怪事還沒完，粒子也可能成對或成群地「糾纏」在一起。粒子彼此變得緊密相連，以致於改變其中一個，另一個也不得不改變。愛因斯坦稱此現象為「鬼魅般的超距作用」，即使粒子分處宇宙兩端，也能起作用。

覺得頭昏腦脹？其實，連協助定義量子物理學原理而獲頒1965年諾貝爾物理學獎的理察．費曼都表示：「沒有人能真正瞭解量子力學。」儘管如此難懂，費曼仍未打消打造量子電腦的念頭。

1981年，費曼在加州理工學院的一堂課上表示：是該重新發明計算機了。同年，國際商業機器公司（簡稱IBM）首創「個人電腦」（簡稱PC）一詞。但還要再過10年，這種設備才會成為日常用品。

然而，電腦──從早期的IBM設備，到現在的MacBook──基本上都是處理「位元化」後的資訊。每個位元代表0或1，因此二元碼便構成了所有電腦運算的基礎。電腦擁有的位元數越多，就越能處理困難的工作。

費曼提議的量子電腦則會使用量子位元（qubit，以疊加態存在，可同時表示1和0）。若兩個量子位元構成了纏結態，就能同時包含四個值：1-0、0-1、1-1和0-0。隨著量子位元數量增加，量子電腦很快就會比傳統機種更強大，處理資訊的時間便能縮到極短。

費曼雖提出了上述技術的運作藍圖，但實際打造出量子電腦卻困難得多。量子位元由各原子或次原子粒子構成，僅是試圖進行控制，就可能讓其失去量子特性。光是將量子位元相接便耗時數年，以致於首台雙量子位元電腦到了1998年才問世。

然而，一切在20多年前全然改觀。當時超導電路在日本率先問世，透過強大的冷卻器，量子位元得以降至攝氏–273度。拜此法所賜，英特爾打造出49個量子位元；IBM更厲害，達到53個量子位元。Google顛覆傳統的Sycamore處理器亦是53個量子位元，但這家科技巨頭已打造出另一款72量子位元的處理器。連擁有1億1950萬美元資金的新創公司Rigetti也表示，正在開發一款128量子位元的系統。

然而，物體越大就越難冷卻，何況要比深太空還低溫。因此，當超導量子位元大到足以成就量子霸權時，其所依賴的冷卻器也幾乎不堪用了。

替代方法之一是使用離子（即帶有附加電荷的原子）。透過可發出電場的微晶片，便能捕獲離子，因此每個微晶片都可充作量子位元。其關鍵在於：可在室溫下運作，進而解決冷卻器的問題。不過，捕獲離子僅經實驗室測試，要達到所需的工業規模，耗時許久。與此同時，微軟正在試驗對溫度較不敏感的「拓撲量子位元」（topological qubit），但在過程中得分裂電子。這項技術本身就處在所謂的「量子狀態」：一方面取得了重大突破，同時也剛開始瞭解一二而已。

(本文由教育部補助「AI報報─AI科普推廣計畫」取得網路轉載授權)