現行量子電腦大多使用低溫環境滿足量子運算的條件，當量子電腦在接近絕對零度的極端低溫環境下時，每個原子的平均動能都非常低，不會破壞別人的量子態，如此一來，科學家就可以操縱在量子現象出現的環境中，藉由量子的疊加態、糾纏、測量等現象來完成特殊的量子運算。
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## 為什麼量子電腦這麼難懂？大概就跟 60 年前要聽懂原子筆一樣難！——專訪旺宏電子盧志遠總經理

110/07/20瀏覽次數
92859

陳儀珈｜
科技大觀園特約編輯

近代知名的理論物理學家理查．費曼 (Richard P. Feynman)曾經說過一句名言：

「我認為，沒有人能真正了解量子力學！」

（I think I can safely say that nobody understands quantum mechanics.）

量子力學到底是什麼？為什麼量子力學可以這麼難懂？最近夯翻天的量子電腦，又是怎麼一回事呢？

中央研究院盧志遠院士不僅曾擔任交通大學教授、 AT&T Bell Lab 計畫主持人，回國後至工研院電子所、經濟部次微米計畫專案總主持人，也投身產業界，先後擔任世界先進積體電路公司、欣銓科技公司、旺宏電子公司等高階決策及董事會團隊，榮獲工研院院士、世界科學院院士、美國國家發明家學院院士、總統科學獎等榮譽，在產、官、學、研四方均有崇高的成就與地位。

因此，科技大觀園特別邀請盧志遠院士，透過訪談，為我們解開量子科技的神秘面紗。

盧志遠院士
盧志遠院士。圖/盧志遠 院士提供

我談的是足球場，你卻在講足球

盧志遠表示，量子力學會這麼難懂，跟我們看世界的「尺度」有關，當我們看世界的尺度不一樣了，很多看起來應該要很怪的現象，都會變得不奇怪了。以人類的視角為例，雖然人類在地球上生活了這麼久，但我們的視野實在是太小了，小到仍有許多人認為地球是平的，對許多人來說，要想像自己住在一顆大圓球上，這真的是太怪了！

在當今科學界由人類發展出來的理論中，古典物理適合解釋人們生活的範圍，相對論擅長處理大世界的、天文物理的現象，而量子力學則專門處理「小世界」的問題。以我們最熟悉的古典物理為例，在地球人生活的範圍和尺度中，以牛頓力學為基石的古典物理都是沒有問題的、具有解釋力的，然而，當我們的眼光放大到整個銀河系時，古典物理就不行了，同樣的，當我們把視野縮得非常小，小到原子以下時，即使牛頓復活，他與他的運動定律對微觀尺度的現象也將無可奈何。

這些尺度的差異，就像是足球場與足球，甚至是足球場與一滴汗水的大小差異一樣，當尺度不同時，我們看到的現象與解釋方法也會不盡相同，這也就是人們「難以搞懂量子力學」的真正原因，畢竟，量子力學談的東西真的太、小、了！

那些年，讓科學家黑人問號的商品

面對近期出現的「量子」商品，盧志遠笑著問道：「你們有沒有想過，為什麼原子筆要叫做『原子』筆？」

1960年代左右，當原子筆準備從歐美進入中文市場時，原子筆尚未擁有自己的中文名稱。然而，在原子彈、原子能源崛起的年代，「原子」在當時是非常高科技、前端的科學名詞，這種新產品又是當時最新潮、最高級的文具， 因此廠商將其命名為「原子筆」，象徵它是一種尖端科技下的高檔文具。也就是說，原子筆會叫做原子筆，單純只是因為「原子」聽起來很潮。看到這裡，你是否感到無言以對？隨著科學進展、科學教育普及，接受過十二年國教的我們都知道，「原子」不過就是組成物質的基本結構之一。原子鍵盤、原子衛生紙、原子杯？天哪！根本一點邏輯都沒有啊！

從原子筆的故事中，我們不難發現，面對「新穎、陌生的科學名詞」時，一般大眾時常抱持著憧憬嚮往、高科技的想像，為了吸引消費者的目光，各大廠商也會為自家產品，冠上這些根本毫無邏輯可言的名詞，濫用新穎的科學概念，像是太空被、磁場面膜、量子假睫毛、AI牙刷等等。

一顆量子？「量子」根本不是一個東西！

盧志遠感慨道，大約每過十年，就會有產品都會被冠上類似的新名詞，而廠商會透過這些科學名詞，讓大家覺得它們的商品很新鮮、有力量又性感。

近年來，量子力學逐漸走入大眾視野，由於量子力學艱深又新穎，就如同原子筆一樣，許多錯誤的理解和誤用逐漸浮現在世人眼前，例如，市面上已經有許多民生用品、心理諮商的服務被廠商冠上「量子」的名義，甚至以為量子就像是一顆一顆原子一樣，誤將量子當作實體的名詞。事實上，量子(Quantum)並不是一個「子」，而是一種物理學概念，可以描述物質也可以描述能量。如果一個物理量存在最小的不可分割的單位，那麼這個最小單位就稱為量子。例如在微觀的世界中，能量的狀態是不連續的，是由一小塊、一小塊能量所組成的能量，而這個最小且不能分割的能量狀態，就是量子。因為人的世界是巨觀、是連續的，所以不能體會微觀的世界，在巨觀解析度不夠的情況下，才會誤認能量是連續的。就是因為量子是如此的微小，這麼巨大的人類，又怎麼能輕鬆弄懂「量子疊加態、量子糾纏」呢？在我們人類自身尺度、溫度等各種環境中，如此的觀念或現象是極少能夠被體驗的！

既然搞不懂，量子電腦又是怎麼來的？

想必大家都有聽過「量子電腦」的鼎鼎大名，甚至耳聞「量子霸權」這等氣勢恢弘的名詞，可是，之前費曼不是說過沒有人可以搞懂量子力學嗎？既然如此，量子電腦又是怎麼做出來的呢？

簡單來說，就是「縱使相當多科學家不完全懂，但是每一個人都會用」。

大家一定都有過「我不懂這個公式從哪來，但是我知道怎麼用」的經驗，就算我們已經忘了如何推導橢圓公式，也搞不懂橢圓公式的原理，但高中生都可以靠著公式，有效解決數學考卷上的各種題目。又好像每個人都在滑手機，但對於手機裡的中央處理器及高階3D記憶體是甚麼東西？相互作用的原理又是甚麼？不要說一般人，可能連非本科的專家都參透不多。但是雖然不懂原理，我們一樣可以把手機功能用的淋漓盡致，讓每個人都可以是傳說中具有神力的千里眼順風耳。而量子電腦也是類似的概念，雖然我們距離完全了解量子力學還有很長遠的距離，還好的是，只需要少數專家皓首窮經了解深層原理與細部操作後，其他領域的專家或工程師就只需要知道在哪些特殊條件下，物質會呈現出量子力學的某些明顯特徵，並且運用這些特徵來進行計算，這樣就足夠推使人類科技應用及生活便利性往前進一大步。

現行量子電腦大多使用低溫環境滿足量子運算的條件，當量子電腦在接近絕對零度的極端低溫環境下時，每個原子的平均動能都非常低，不會破壞別人的量子態，如此一來，科學家就可以操縱在量子現象出現的環境中，藉由量子的疊加態、糾纏、測量等現象來完成特殊的量子運算。

量子電腦有什麼特別的？

比起傳統數位電腦，量子電腦處理資訊的方式完全不一樣，在處理特定問題時，不僅運算力更強，計算速度也會更快。那是因為量子電腦可以多個量子位元平行處理，不像數位電腦只能序列性、一條一條路徑依序運算。數位電腦透過0、1的二進位來進行運算，若我們想要讓數位電腦變得更快，就必須勤能補拙，使每單位運算的速度倍增，如果今天的數位電腦一秒鐘可以算一百萬次，未來，我們就要努力讓它在一秒鐘內算上一億萬次。

然而，數位電腦其實並不「聰明」，舉例而言，當我們向電腦要求「從臺灣大學找出一條最快抵達哈佛大學的路線」時，數位電腦會列出所有的路線，再找出旅行時間最短的路線，縱使數位電腦每秒鐘速度已達億萬次以上，要尋找這麼多的途徑，還是得花上很長的時間，有時需要萬年甚至比所謂宇宙生命更長的時間，也就是說，沒辦法解答！但若以量子電腦來解決相同的問題，則量子位元可以將所有路徑一次性平行處理、同時計算，因此速度將變成指數式(量子位元數)的倍增。

而量子電腦則因為量子位元的特性，當位元數為 n 個時，比起傳統電腦的 n 或是 2n， 量子電腦的訊息空間為 2 的 n 次方，具有指數性成長的優勢，面對越困難複雜的問題，越能顯現量子電腦驚人的威力。換句話說，量子電腦真正的威力並非計算速度較快，而是能夠平行處理問題。

量子科技興起，我們該如何應對？

2019年，Google與合作團隊提出了量子霸權（Quantum supremacy）的概念，並聲稱自己 53 量子位元（Qubit）的量子電腦達到了量子霸權的境界，可以處理傳統電腦無法處理的難題。由此可知，量子科技是將來的重要發展趨勢之一，我們可預期量子科技一定會對臺灣科技業造成很大的影響，針對臺灣的未來，盧志遠保守的說，雖然臺灣擁有優秀的高科技人才、半導體產業，但我們只能說在量子科技領域中臺灣沒有處於劣勢，但也無法預期具備什麼明顯的優勢，因為一個從原理、技術、機器設備或使用材料都可能不同的新科技，過去的成功經驗不一定能完美複製，屆時產業及政經環境可能都有不同，既有的優點，有時反而造成拖累，此種現象，在科技破壞性替代時，曾經屢屢出現。

但也因為量子科技是無法迴避的趨勢，我們該如何應對？以半導體產業做比喻，半導體產業粗分IC設計、晶圓製造、封裝、測試，同時需要許多高科技設備和原物料相配合，從結果來看，並沒有單一個企業能夠在不同領域都獲得成功、稱霸一方，因為每個領域所需的專業技術或營運能力不同、投資也不同，如果同樣概念也適用量子科技產業，企業或國家都應該檢視自己的特長，隨時保持警覺，在最適當時機將有限資源投入最好的運用。

但即使量子科技浪潮來襲，盧志遠認為年輕人並不需要著急、也不需要跟風。可以選擇站在浪尖，也未嘗不可只在岸邊觀潮。投入量子科技的科學研究，或是關注量子科技趨勢、使用量子科技帶來的成果與便利，創造因量子科技帶來的新應用領域，以破壞性創新發明新商業模式，可能反而是最大的機會。就個人前途而言，應分析並認識自己的特質與人格找到屬於自己的方向，好好鑽研、好好做事。「成功」的最終門檻，仍然是內心的狂熱和喜歡。

資料來源

- Arute, F., Arya, K., Babbush, R., Bacon, D., Bardin, J. C., Barends, R., ... & Martinis, J. M. (2019). Quantum supremacy using a programmable superconducting processor. Nature, 574(7779), 505-510.
- 張元翔（2020）。量子電腦與量子計算｜IBM Q Experience實作。碁峰。
- Even Physicists Don’t Understand Quantum Mechanics

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更新日期：113/09/11
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