# 什麼是量子電腦？
<font size=4>自 Google 在 2019 年聲稱其**量子電腦**（Quantum computer）達到量子霸權後，量子電腦成為了全球科技前沿的焦點，新聞報導不斷呈現量子電腦的重大進展，各國政府和科技巨頭紛紛投入巨額研發，量子電腦被視為未來重點發展技術，甚至成為國際政治博弈的一環。那麼，什麼是量子電腦？它為何能引起全世界廣泛關注？這系列的文章將帶領讀者初探量子電腦的奧秘，解讀這一未來計算技術。</font><br>

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<img src="https://hackmd.io/_uploads/SkJsXcuTT.png" alt="Google 的量子電腦晶片 Sycamore" width="70%"/>
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<p>Google 的量子電腦晶片 Sycamore
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(圖片來源 doi:10.1038/s41586-019-1666-5)</p>
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<font size=4>量子電腦是一台未來即將出現的新世代電腦，與我們日常使用的筆記型電腦和智慧型手機不同，在某些特定問題上，量子電腦理論上的運算能力與速度將會勝過現在存在地表上任何一台電腦，包括超級電腦。目前，量子電腦的發展，就好比站在冷戰時期真空管電腦的初期，我們都清楚知道電腦從過去冷戰發展至今，改變了全球政治格局、科學研究和經濟成長，量子電腦也將重新塑照各國政治和經濟，以及推進人類文明。</font><br>

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<img src="https://hackmd.io/_uploads/BkT6diOa6.jpg" alt="Google 的量子電腦外觀" width="90%"/>
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<p>Google 的量子電腦外觀
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## 量子電腦的必要性
<font size=4>隨著半導體技術快速發展，七奈米三奈米兩奈米尺度的晶片時時出現在新聞頭條上，在我們享受晶片帶來的豐富體驗與財富之餘，我們也面臨半導體技術逼近物理極限的挑戰，這預示著基於電晶體的電腦（也就是你周遭所有的電腦）的計算能力即將逼近上限。想要讓計算能力進一步飛躍，就必須做出體積更大的電腦、更多的晶片，以及更多的電力消耗，這就是我們今天正在面臨的問題與挑戰。當然，這問題並非這幾年才發現，早在 1969 年，物理學家就預見到這一天，因此提出了「基於量子力學的計算裝置」--量子電腦最初的概念。</font><br>

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<img src="https://hackmd.io/_uploads/SkUDnl366.svg" alt="電腦發展歷程" width="100%"/>
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<p>隨著電晶體的尺寸越做越小，晶片上能承載的電晶體數目越來越多，每兩年就增加一倍（著名的 Moore's 定律），而電腦（處理器）計算效能也隨之飛快上升，然而隨著越來越接近物理極限，晶片效能也即將達到上限（圖中的技術節點可以想成”商品名稱“）
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（圖片來源 doi：10.1098/rsta.2019.0061）
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<font size=4>這不僅是為了突破計算性能的限制，也是因為數學和科學的進步始終是推動人類文明向前發展的基石。每當我們引入新的數學概念，或是利用數學解釋某個自然現象，人類的文明都會向前邁進一大步。下圖是人類所有的計算問題，目前的電腦已經能高效處理圖中的 P 級問題，儘管這在所有的計算問題中只佔很小的一部分，卻極大地改變了我們的生活，而量子電腦理論上能解決更廣泛的問題，這將讓我們能處理的問題從 P 擴展到下圖的 BQP，展現了量子電腦在解決現在電腦難以克服某些問題上的巨大潛力，也預示著科學技術和人類文明的新紀元。</font><br>

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<img src="https://hackmd.io/_uploads/HyudIzLaa.svg" alt="人類的可計算問題" width="100%"/>
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<p>人類的可計算問題，越外層代表電腦需要越多時間才能完成計算</p>
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<font size=4>想像一下，當我們能解決的數學問題範圍擴大，文明和科技將如何進步。有了量子電腦，我們從處理 P 類問題擴展到 BQP 類，考慮到目前電腦僅通過處理 P 類問題就已經帶來了巨大文明進步，當我們能夠觸及 BQP 問題時，你我的生活將會有何種變革？且看下篇分享。</font><br>

## 延伸閱讀

- **[挑戰半導體製程物理極限的未來之星——「原子等級半導體材料](https://www.charmingscitech.nat.gov.tw/post/research09-material)**：半導體奈米材料製成，如何突破極限。
- **[Quantum Computers Explained – Limits of Human Technology](https://www.youtube.com/watch?v=JhHMJCUmq28)**：1800萬次觀看的量子電腦科普影片。
- **[量子電腦時代衝擊台灣半導體產業？](https://money.udn.com/money/story/5612/7140313)**：台灣量子電腦發展。