崛起中的量子科技　多重挑战仍待克服

清华大学物理系教授暨前瞻量子科技研究中心主任牟中瑜。

量子力学的深奥难懂，连最早提出可利用它来运算的物理学家费曼都曾说过，「平心而论，我认为量子理论是没有人懂的...」历经近40年的长期发展，现今，全球正迎来新一波的量子运算热潮。对于量子科技可望带来的庞大潜能与革命性改变，业界无不寄予厚望，然而此前瞻技术的真正实现与带来商业价值，还有好长的一段路要走。

量子科技的基本理论与应用

到底什麽是量子现象？清华大学物理系教授暨前瞻量子科技研究中心主任牟中瑜表示，「简单来说，在次原子世界中，微小粒子会像物质波一样，可以同时通过两个门，而且是完整通过的。」

物质这样奇特、难懂的行为是必须特别处理才能呈现出来的。若用两个门来表示0和1，这意味着，量子位元可同时是0也是1，但测量时只能测到0或1，只是0与1各有其测量出来的机率，这就是所谓的叠加(superposition)原理。

因此，若以球面来比喻，古典电脑位元的0和1好比南北极，而量子位元可以涵盖整个球面，带来了更宽广的操作空间，这是它的最大优势。另一个重要特性是纠缠(entanglement)，是指一对粒子像挛生兄弟一样，会感受到彼此的状态，而有相应的行为。实验证明，即使距离很远，纠缠行为一样存在。

根据这两基本特性，形成了全新概念的量子位元。以50个量子位元为例，它代表2的50次方个实数的运作空间。若以每一个浮点数字需要4个byte来计算，则需4x2⁵⁰=4.5 petabyte来描述，这已远超过传统电脑的运算规模。

牟中瑜强调，量子运算并不是用来取代传统电脑的，而是透过发挥其独特性质，开创出全新的应用与可能性。

目前量子科技的发展，在信息科学方面，有演算法、程序设计与协定的开发。在量子装置领域，涵盖了量子电脑、量子模拟器、量子退火机(annealer)、量子通讯/网络、量子传感器等多种应用。

其中，量子演算法的庞大运算能力是深具吸引力的。牟中瑜表示，利用量子位元的波动现象，以及相互纠缠的平行处理，可以在巨大的量子态矢量空间中加速找寻答案，与传统电脑只局限在0与1所组合之数字中找寻答案的方式完全不同。

以查找电话簿为例，若有N笔数据，传统需要逐一比对才能找到答案，但利用量子搜索的集体处理，只需N的平方根次即可。其他，像是推销员旅程问题(TSP)、图色问题等，利用量子演算法能更迅速地找到最佳值。同样地，利用量子运算的平行处理，透过输入多个物件同时学习，可以大幅加快机器学习速度。

另一个重要应用是，大质数的因数分解，这是加密系统的重要步骤。以300位数的大质数为例，THz的古典电脑得需要150,000年才算得出来，利用量子计算，不到1秒便可得到结果。此外，利用量子纠缠特性，使密钥被窃听就被会知道，因而可实现完全安全的量子通讯。

量子科技的挑战

牟中瑜指出，量子计算与量子通讯的终极目标是建立结合量子计算、量子位元，与量子信息传递的量子网络。然而，虽然前景可期，但在实际建置上仍面临了极大的困难。

最大的挑战在于，量子态特性是脆弱，不能被复制，而且还有存活时间太短，以及飞行量子位元衰减的问题。目前开发的量子电脑，最大可提供约50~100个量子位元，但需在低温环境下操作，而且精确度不足，无法扩大规模。而台湾的技术能力，可制作4~5个量子位元。

此外，在精确度方面，由于目前能达到的精度有限，这使得要达到1,000个可用的逻辑量子位元(logical qubit)做运算时，除错所需要的的实体位元数需要到一百万个才足够。

因此，牟中瑜强调，真正的应用还有好长一段路要走。不过，随着雏型已经就绪以及大量研发资源的投入，他也乐观预期，1,000个实体量子位元有可能在未来5~10年达到，并在持续加速发展下，推动量子科技愿景的真正实现。