快速認識量子電腦的能力與現況，短期目標以化學模擬應用最受期待，目前已達首個里程碑但運算能力還很小

量子電腦的技術發展備受重視，其強大的運算潛能，成為科學界與產業界關注焦點，也讓大眾對於這樣的新穎技術，抱持著很大的想像空間。

尤其最近兩年，我們不時就會看到量子運算新突破的消息，只是，到底目前這項技術發展到什麼樣的程度，大家可能還是一知半解，加上又傳出這將引發公鑰密碼系統遭到破解的危機，為了紓解這樣的不安，我們必須先了解到底量子電腦能做什麼。

過去，iThome報導的量子電腦動態大多是廠商消息，但學術界目前如何看待量子運算的進展？今年初舉行的第一屆後量子密碼論壇上，恰好有位學者講解了這方面議題，那就是中研院資科所博士鐘楷閔，主要研究領域是密碼學、複雜度理論與量子理論，當時他很精闢地介紹了量子電腦的應用面與發展現況，描繪出量子電腦的輪廓。

關於量子電腦（Quantum Computer），首先要回答一個最常被大家提出的問題：到底這個運算架構是否會取代傳統電腦？

鐘楷閔認為，以目前技術發展來看，其實並不會，而是各有各的任務，這就如同手機沒有取代電腦，記憶體沒有取代硬碟的情況，而量子電腦的特性，主要是針對解決特定的問題有優勢，並非無所不能。

對於量子電腦的能耐，鐘楷閔表示，要搞懂量子是什麼？為何可以拿它來做計算？這是一堂課時間都難以說清楚的事，大家需要先建立量子力學的背景知識，且坊間已有相關科普介紹，

不過，我們可以對於「量子力學」有一些些基本概念。簡單來說，這是一套描述微觀世界的物理理論，例如，在頭髮微觀之下，我們可看到1微米的物體，以DNA結構微觀下，我們可看到數十奈米，再小一點，進入原子等級的尺度，量子的神祕特性就會顯現。

關於這個特性，科學家想要加以妥善利用、做出厲害的事情，在1982年，諾貝爾物理學獎得主Richard Feynman提出量子電腦的構想，40年後，量子電腦已漸漸成為時下熱門的主題，這也表示如今已有階段性的成果。

儘管一般人要真正搞懂量子力學並不容易，但我們可以大致理解，量子疊加與量子糾纏就是其神秘特性之一，是量子位元本質上的非古典特性。換言之，在尺度不同的狀況下，我們所看到的現象，以及解釋方法，其實也會不太一樣，因此不像人們在生活範圍中可用古典物理來解釋。

【當今量子電腦需在比零度更低環境運行】近年IBM曾公布自家量子電腦的照片，中研院資科所博士鐘楷閔表示，從圖中左邊照片可以看到其外觀，為什麼長這樣？他解釋，你可以想像它是個是溫度非常非常低的冰箱，而且，越低的位置越冷，而量子電腦核心本身仍是一個晶片，所謂的量子位元（QBIT）就藏在晶片裡面，而該晶片就是放在這個冰箱裡面最低溫的地方。（攝影／羅正漢）

已達到可進行運算任務的里程碑，但現階段的能力還很有限

從現在的量子電腦發展來看，已經達到什麼樣的成就？

簡單來說，現在發展到所謂量子霸權（Quantum Supremacy）的階段，也就是證明可真正運用量子電腦來進行一個運算任務。

不過，現階段的量子電腦運算力其實還非常小，鐘楷閔從近年的量子電腦研究成果來說明。

在2019年10月，Google在Nature期刊發表研究成果，宣布他們打造了54量子位元（qubit）的處理器Sycamore，引發全球關注。具體而言，這是一個53個量子位元的量子電腦，因為有1個量子位元是壞掉的，在Google特定實驗設計下，讓電腦進行20次指定的量子操作，實驗重複一百萬次，僅耗時200秒就能完成，

根據Google估計，若以當時普遍的超級電腦來運算相同任務，需要1萬年，而IBM也估計，若以當時全球最強超級電腦Summit也要耗時16天。

在2021年10月，中國打造的量子電腦「祖沖之號」亦有新進展，他們透過60個量子位元，進行24次的量子操作，進行的實驗任務比Google當時更難，只要4個多小時就能完成，而現今的古典超級電腦Summit要花4.8萬年。

對於這樣的成果，鐘楷閔提到幾個重點，我們歸納為4項。首先，從量子電腦發展來看，現在已經可以實際運用量子電腦進行一個運算任務，這展示了古典電腦做不到的事情，是科學發展上非常重要的里程碑。

第二，關於上述量子電腦實驗，其實僅是針對非常特定的問題來運算，因此，這並不表示「現在的量子電腦」，比「現在的超級電腦」快上千萬倍，而且，也不表示「祖沖之號」比「Google量子電腦」快上百萬倍，而是指在非常特定任務的運算上，量子電腦有很大優勢。而且，目前這些運算任務並無實用價值，主要目的是展現「量子霸權」。

第三，不論是53個量子位元，或是60個量子位元，這其實顯示出現在量子電腦還非常小。鐘楷閔舉例說明，以上述Google量子電腦而言，其實只能處理53位元的量子資訊，若用量子電腦來存資料的話，也就是53個0或1。這究竟有多小？以Intel在1970年推出的1103記憶體晶片來看，其容量是1KB，也就是1,024個位元。相較之下，現在的量子位元很小，而且若要實際發揮作用，還需要建構成邏輯量子位元。

第四，量子電腦的下一個里程碑，是要實現有用的運算任務，來達到真正具價值的量子霸權階段，目前科學家還在尋找短期內能實現的量子電腦實際應用。

量子電腦在計算特定問題上有優勢，它可以做什麼用？將量子電腦用於化學模擬研究，是一個應用面，例如可應用在農業領域中，改進化學肥料製造工藝。例如用於「固氮反應」的化學模擬，有機會改變現在高耗能的哈伯法制氨法，透過模擬細菌在常溫常壓下的固氮反應，以瞭解其原理，盼有助於改進哈伯法的能源損耗。

看好化學模擬的應用面，但量子破密帶來的風險也令人憂心

隨著量子電腦未來發展要具實用性，短期內可以帶來何種應用？鐘楷閔簡單舉出兩個潛在應用面向。

第一個，是在化學模擬方面的優勢。

以「固氮反應」為例，這是指製造肥料所需要的化學反應步驟，目前工業界催化固氮反應的關鍵是以哈伯法制氨，這個方法帶來不錯的產量，但缺點是需要在高溫高壓下進行，因此，耗用相當多的能量，甚至全球總能源耗損有不小比例是用於肥料生產。

量子電腦之所以有機會在化學模擬帶來幫助，是因為除了哈伯法制氨，科學家們還知道另一個做法，是細菌本身就有固氮反應的能力，可在常溫常壓下進行制氨，但目前的超級電腦無法有效模擬其固氮反應，而在微軟科學家的計算中，中等規模的量子電腦將能破解其奧秘。

第二個，是在數學難題快速計算方面的優勢。

以質因數分解為例，這並不像兩數相乘、乘法公式那樣簡單，而是反過來將一個整數，拆解成兩個相乘的質數。

事實上，過去我們並未學過質因數分解的相關公式，而不能快速解題，非對稱密碼系統之所以有保護，其實也多仰賴「因數分解」等數學難題的困難性。超大整數的質因數分解，即便現在超級電腦的運算能力，也無法在夠短時間完成破解。

但在1994年，數學家Peter Shor提出了可解質因數分解的量子演算法，該演算法稱之為Shor's Algorithm，讓電腦能在合理時間內完成破解，只是早年量子電腦仍在發展，還不構成威脅。

但隨著量子電腦的發展，目前估計，以RSA 2048標準來看，可以被6000個邏輯量子位元的大型量子電腦破解，也因此，近年我們看到美國NIST舉行後量子密碼標準化競賽，就是希望及早因應未來將面對的問題，將現在安全、未來卻不夠安全的RSA、ECC等非對稱加密演算法替換掉。

基本上，這裡只是舉出量子電腦可應用發揮的兩個例子，還有許多關切的應用領域與場景，但至少讓我們可以簡單瞭解它的能力。

現階段的量子電腦其實還非常小，根據IBM公布的量子電腦開發藍圖，如今才127個量子位元，只能進行特定且無用的運算任務，但預估每年會以2到3倍速度成長，比古典電腦摩爾定律還快。（圖片來源／IBM、鐘楷閔）

邏輯量子位元才是關鍵，一旦搞混很容易誤解量子電腦的能力

雖然當今的量子電腦運算力還非常小，不過，其研發速度與面臨的跳戰也備受各界關注。

以IBM近年公布的量子電腦開發藍圖為例，鐘楷閔指出，量子位元將以每年以2到3倍成長，在2019年到2021年時，量子位元數量已從27個，成長至65個、127個，估計2022年將增為433個，2023年將增為1121個。

另一家量子運算新創企業IonQ，雖然進展較慢，在2021年的量子位元為22個，但預估2024年後，也是每年以1.5到4倍來成長。

值得關注的是，除了量子位元，發展邏輯量子位元的挑戰更是重要，因為這更是理解量子電腦能力的關鍵。目前邏輯量子位元還無法實現，或是要等相關技術有所突破，由於一般科普可能省略這樣的細節，容易讓外界誤解其運算能力。

鐘楷閔指出，實際上，量子位元很容易受環境影響，這使得操作量子位元的錯誤率高，因此，需要將多個量子位元組成邏輯量子位元，並搭配量子錯誤更正碼的機制，來建構一個可持續運算的邏輯量子位元。

根據量子計算的閾值定理，當量子邏輯閘的錯誤率小於約0.001%，我們就可使用約1000個量子位元，來實現1個邏輯量子位元。因此，有時我們看到一些研究報告列出的預估Qubits，其實指的是邏輯量子位元，而這也意味著，需要更多實際量子位元來實現，以上例來說也就是要乘上1000倍，才是真正所需的量子位元。

在美國國家科學院院刊上，多名微軟科學家曾在2017年發表一項研究，曾計算出固氮反應需要的量子電腦規模，鐘楷閔表示，根據他們計算出的結果，細菌的固氮反應可在中等規模的量子電腦中被模擬，同時他也特別強調一件事，圖中表格內所列出的Qubits，指的是「邏輯量子位元」，因此需要更多實際量子位元來實現。（圖片來源：擷取自PNAS「Elucidating reaction mechanisms on quantum computers」研究報告）