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title: 9. 量子電腦現況
tags: [科普文章]

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# 量子電腦現況與未來
量子電腦的發展正處於令人興奮的十字路口，預期將在新藥開發、材料開發、金融分析等多個領域帶來革命性的變革。許多人好奇，實用的量子電腦什麼時候會出現呢？你是不是要現在就投入這領域，成為未來的專家與工程師？在你做出決定前，讓我們深入了解量子電腦的現狀與未來挑戰。

## FTQC 容錯量子計算
首先，我們先來定義什麼叫做一台好的量子電腦，也就是未來這樣能改變世界的量子電腦要長什麼樣子：
1. **數千到幾百萬個 qubits**，才能應付各種複雜問題，正如當今電腦的位元越多，提供更豐富的功能。
2. **低錯誤率**，以確保計算結果的正確性，高錯誤率會使結果難以可信。
3. **快速的邏輯閘**操作速度（微秒至奈秒），以縮短計算時間 
4. **能同時執行多個邏輯閘操作**，以提高計算效率。

這樣的量子電腦稱作 Fault tolerance quantum computer （容錯量子電腦，**FTQC**），然而，現實很殘酷，我們難以做出這樣的量子電腦，最大的原因就在前面兩個字：「量子」。

量子電腦是基於量子力學的計算裝置，而量子現象需要在低溫與隔絕環境下才顯著，這是為何在我們的日常生活中難以看到明顯的量子現象，也是為何大部分量子電腦都要在嚴格控制的低溫環境下操作，否則量子電腦會因爲環境的一點干擾（溫度、電場、磁場，乃至宇宙輻射，諸如此類被稱為 noise）而我們預期的運算不同。

量子系統對外界干擾極為敏感，導致今日量子電腦的錯誤率相對較高，約略 1%～0.1%，遠高於經典電腦的錯誤率 $10^{-16}$ %，雖然理論上可以透過後端軟體等方法進行錯誤修正，然而目前提出的修正方法，都要求錯誤率低於 0.1% 才有效。

<div style="text-align: center;">
    <img src="https://hackmd.io/_uploads/Bys-kFh66.svg" alt="FTQC" width="100%"/>
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    <p>要讓量子電腦走入應用，我們還有很長的路要走，最大的阻礙就是錯誤率太高（圖中的錯誤率要乘 100 才會是 %）
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    (圖片來源 10.48550/arXiv.2305.09518)</p>
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由於高錯誤率，量子電腦中**一個 qubit 不等於一個 qubit**。實際上，要呈現一個理想的 qubit，可能需要上千個實際的 qubits 進行糾錯和協調。這意味著，要達到實用的量子電腦，我們實際上需要比預期更多的 qubits，這無疑是一個極大的工程挑戰。

量子電腦的 decoherence（去相干）問題也不容忽視。Decoherence 是指量子系統會因為外界環境干擾而失去量子現象，因此我們必須在一定時間內完成我們該做的計算，這就是為何一個好的量子電腦，操作速度要快，而且要能同時間執行多個操作，這也是為何我們要想辦法隔絕各種環境因素，盡可能地延長這時間。然而，當 qubits 數越多，達到幾千個 qubits 時，無疑也是在朝著經典世界前進，量子現象越容易被破壞，也是未來要面對的挑戰。

為了克服這些挑戰，我們可以改良硬體設備，以及軟體與數學方法修正。硬體的部分包含如何讓量子狀態維持得更久（延長 decoherence time）、縮短操作時間、降低操作方式導致的非預期結果等等，以及用更多的 physical qubits 修正成一個 logical qubit；軟體的部分則是利用量子糾錯（quantum error correction, QEC)來模擬是否可以實現邏輯量子位元、預測所需的量子位元數目、如何降低所需的量子位元數目等。或是利用量子誤差緩解（quantum error mitigation)來實現非糾錯下可能的應用等。


## NISQ 雜訊中等規模量子計算
看起來很悲觀，FTQC 要很久才會問世，別這麼想，為了解決這問題，科學家提出 NISQ （Noisy intermediate-scale quantum）作為通往 FTQC 前的過渡解決方案，也就是如何將現有的量子電腦投入實際使用。

NISQ 的特點是，雖然還不能實現完全的量子演算法，但可以通過結合經典電腦與現有量子電腦的力量，解決特定問題，這我們稱作 classical-quantum algorithm，允許我們利用 NISQ 處理計算中的某些部分，其他部分留給經典電腦處理。

量子機器學習正是屬於這種演算法，數據準備與優化由經典電腦處理，而量子電腦負責中間複雜的計算，展現了量子電腦與經典電腦的互補性，也是未來十年量子電腦發展的方向。這也呼應第一篇我們說的，量子電腦在未來不會取代經典電腦，而是相輔相成。

<div style="text-align: center;">
    <img src="https://hackmd.io/_uploads/rkmklt2ap.svg" alt="NISQ" width="150%"/>
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    <p>從這張圖可以看出，有些科技公司（像是 Quantinuum）的量子電腦正朝著 NISQ 方向前進，IBM 過去幾年都著重在增加 qubits 數，一直到去年「要標記一下正確年份要不然以後會誤會」才開始要著重在降低錯誤率，往 NISQ 方向前進
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    (圖片來源 10.48550/arXiv.2305.09518)</p>
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## 總結
從 NISQ 到 FTQC，雖然路途漫長且挑戰重重，但量子電腦領域的快速進展令人充滿希望，隨著更多資源與人才投入這領域，量子電腦的未來比起過去任何時期都要光明。讓我們共同期待，量子電腦將如何繼續推動人類社會進步，開啟全新可能。

## 延伸閱讀
- **[通往百萬 Qubits 的商業化之路](https://new.qq.com/rain/a/20231127A09PRU00)**：深入介紹 NISQ 與量子電腦現況。



