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Take Home Message
• 量子電腦以量子位元為基礎，具有疊加和糾纏的特性。它能同時處理多個方案，運算效能和並行計算能力比傳統電腦更為優異。
• 目前量子電腦面臨製造穩定量子位元、低溫環境維護、量子糾錯等技術挑戰，還須要有龐大投資並提升精密技術才能實際應用通用型量子電腦。
• 未來，量子電腦可應用於醫藥研發、材料科學、金融分析、密碼學、人工智慧等多個領域，有望徹底改變科技發展和社會生活模式。

量子電腦因為可能徹底改變科技現況與國力興衰，在近年來引起全球高度關注。由於量子電腦使用了量子計算技術，它的基本運作方式也明顯地與傳統電腦不同。傳統電腦以位元作為運算的最小單位，每個位元只能處於0 或1 這兩種狀態，就像是一個靜止的硬幣，若不是正面朝上（0），就是反面朝上（1）。然而，量子電腦使用的是「量子位元」（quantum bit, qubit），它可以同時處於0 和1的疊加狀態，類似於一枚在空中旋轉的硬幣，在它落地之前可以同時處於正面和反面旋轉的疊加態。這種狀態可疊加的性質，讓量子電腦能同時處理多個運算方案，而不像傳統電腦那樣必須逐一嘗試，為運算效率帶來了革命性的提升。

不過量子電腦運算潛力提升不只是因為量子疊加，量子糾纏才是關鍵。量子糾纏指的是兩個量子位元即使在空間上的距離很遙遠，但它們仍然會有整體且同步的狀態變化。也就是說，當一個量子位元的狀態發生改變，另一個糾纏的量子位元會立刻出現反應，此特性使量子電腦能夠進行高維度的並行計算。疊加與糾纏的特性讓量子電腦可以處理傳統電腦無法處理的複雜問題，特別是在模擬化學反應、改良金融大數據、破解現代加密技術等方面，都展現出極大的優勢。

量子電腦的挑戰

不過，量子計算中的糾錯問題是目前亟待解決的技術難點。量子計算和傳統計算一樣會出現錯誤，然而量子力學本身的特性，會使傳統電腦的數據複製和偵錯手段在量子計算中無法奏效。為了解決此問題，科學家提出量子糾錯技術，它的基本原理是通過引入更多的物理量子位元〔註〕來對一個邏輯量子位元進行冗餘編碼，就像是建立一個備份系統。但若要實際應用量子糾錯技術，需要使用千百個「物理量子位元」才能製造出一個「邏輯量子位元」的正確運作。在硬體技術還不夠成熟的現在，製造這種龐大數量的量子位元是一項極大的挑戰。

〔註〕物理量子位元是會發生錯誤的量子位元，也就是物理系統內的量子位元；邏輯量子位元則是經過糾錯程序的一組量子位元，運算時可以隨時糾錯而不會錯誤。

全球的量子電腦布局

隨著全球對量子電腦的關注度提升，許多國家和科技大廠紛紛投入大量資源研發量子電腦。作為半導體科技強國，臺灣在這場全球競賽中也是當仁不讓。在政府的量子國家隊主導下，中央研究院已經成功開發出5 位元的超導量子電路，清華大學也宣布成功做出全球體積最小的光量子電腦，工業技術研究院也在低溫互補式金屬氧化物半導體（complementary metal-oxide-semiconductor, CMOS）的多量子控制系統有良好進展。臺灣擁有強大的半導體產業基礎，其中的精密製造技術可以為量子電腦的硬體和周邊發展提供重要的競爭優勢，尤其是在將體積縮小和低能耗技術方面，臺灣的技術實力未來將可以在全球量子電腦供應鏈中的地位爭得一席之地。

而美國的量子電腦發展目前則處於全球領先地位，像是IBM、Google、微軟等科技巨頭在量子計算領域的突破皆備受矚目。……【更多內容請閱讀科學月刊第661期】