量子計算機發展與影響

一、量子計算機簡介  

      相對論及量子力學是近代物理的兩大支柱，量子力學可解釋許多自然現象也有許多實際用途，量子有疊加與糾纏兩個重要性質。在量子的世界中是不確定的，可以有部分機率是一種狀態，同時也有部分機率在另外的狀態，這樣的性質就是量子疊加，在古典物理中，一個系統只能處於一種物理狀態，就好比傳統計算機的記憶體位元只能處於0或1狀態，在實際測量量子狀態之前，我們無從得知系統是處於那種狀態；而量子狀態在測量之後，就會成單一的古典狀態。糾纏是數個量子態之間的奇妙連結，是量子現象自然的一環。量子計算便是以糾纏和疊加來計算開始的始初態，之後便以量子閘來執行量子演算法所需的運作。量子演算法可以快速進行的原因是因為糾纏與疊加量子位元後所造成的量子狀態運作時是平行運算，這是量子霸權的技術與科學基礎。 

    量子計算機為什麼遠勝過超級計算機，因為傳統計算機都是照一定規則處理“0、1”二進制數據。所有文字、圖片、視頻等信息，在計算機中都可以用“0、1”數據來表示。每一位0或者1都被稱為一個比特。在傳統計算機中，一個比特在某次計算中要麼是0，要麼是1，只能表示為一個狀態。而如果藉由前面所提到的量子疊加態概念，量子疊加態是指粒子可以存在於疊加態中，能同時擁有兩個相反的特性，也就是我們說的波粒二象性。用量子來做計算機的比特，則一個“量子比特”可以同時既為1，也為0。以10個比特為例，傳統計算機一次只能表示0至1023這1024個數中的某一個數（2的10次方為1024），若這10個比特為量子比特，則每一個比特都可同時表示為0和1，這10個比特可以同時表示1024個數，遠遠高於傳統計算機只能表示一個數。因此，量子計算機將能夠極大地提昇運算能力，量子計算機將可助於核試爆、高新技術武器模擬和等軍事領域之計算，在民生領域，如氣候預測、疾病醫療、石油勘測也有很大助益，所以全世界都想掌握量子計算機。  

二、科技競爭已成為國家興亡關鍵  

   科技是強國的動力及基礎，近來，美國面臨許多衰敗現象，例如新冠疫情未能徹底根治，大量印刷鈔票造成通貨膨脹，國內種族歧視及社會治安惡化，中美貿易戰初嘗敗績，窮兵黷武卻灰溜溜從阿富汗撤軍。美國為求確保世界霸權地位，不惜全面圍剿中國大陸，攪亂是非黑白世界秩序，但美國贏過中國的項目目前只剩核武器及部分高科技，核戰將導致人類毀滅不會輕易嘗試，因此科技競爭將成為主戰場。中國在量子科技方面領先世界，中美在量子計算機、量子武器及量子通訊的競爭相當激烈。中國團隊最近展示擁有世界上最強大的量子計算機，超越了之前的記錄保持者谷歌。中科大的潘建偉團隊說，他們的量子計算機在一個多小時內解決了一個問題，這個問題可能需要世界上最強大的經典超級計算機八年才能破解，此聲明引起了美國的擔憂，恐懼輸掉“量子競賽”。 

   據《科學美國人》報導，祖衝之量子計算機由 66 個超導量子位組成，打敗了谷歌量子計算機。美國和中國之間的緊張局勢目前處於數十年來的最高點，兩國在貿易、人權問題、新冠病毒和地緣政治及軍事問題上發生許多衝突。2019 年，由研究員約翰·馬蒂尼斯領導的谷歌團隊實現了所謂的量子優勢，證明該公司的“懸鈴木”系統可以比強大的經典超級計算機更快地執行任務。一年後，中國科學技術大學的研究人員用光子製成的量子計算機進行了類似的實驗。擁有 56 個量子位和 113 個檢測到的光子，中科大系統現在在技術上是世界上最強大的量子計算機勝過美國。中國在整個量子技術領域擁有更多的專利總量，但美國公司在量子計算專利方面遙遙領先。中國的量子研究幾乎完全是國家驅動的，集中在少數大學和公司。相比之下，美國的研究分佈在數十所大學和私營公司。福布斯雜誌報導，中國領導人習近平資助了一個價值數十億美元的量子計算大型項目，預計到 2030 年將實現重大的量子突破。他還承諾斥資數十億建立中國量子信息科學國家實驗室。而美國政府對量子技術的投資與中國相比這些舉措微不足道。世界正在進行一場量子戰爭，這場戰鬥將在研究實驗室中由大腦競技，這場戰鬥的關鍵彈藥是研究資金。反觀台灣一直熱衷選舉政治，政府不積極提倡科技，量子計算機領域也只是跟著美國IBM釋出的訊息走，缺乏獨自創新的能力。 

三、中國成功研製“祖沖之二號”及“九章二號”量子計算機 

    環球網報導，近日，中科院量子信息與量子科技創新研究院科研團隊在超導量子和光量子兩種系統的量子計算方面取得重要進展，使中國成為目前世界上唯一在兩種物理體系達到“量子計算優越性”里程碑的國家。中國科學技術大學潘建偉、朱曉波、彭承誌等組成的研究團隊與中科院上海技術物理研究所合作，經過研究攻關，超導量子計算研究團隊構建了66比特可編程超導量子計算原型機“祖沖之二號”，實現了對“量子隨機線路取樣”任務的快速求解，比目前最快的超級計算機快一千萬倍，計算複雜度比谷歌的超導量子計算原型機“懸鈴木”高一百萬倍，使得中國首次在超導體系達到了“量子計算優越性”里程碑。同時，光量子計算研究團隊構建了113個光子144模式的量子計算原型機“九章二號”，處理特定問題的速度比超級計算機快億億億倍，並增強了光量子計算原型機的編程計算能力。中國科學技術大學教授陸朝陽稱把之前的九章光量子計算機從之前的76個光子增加到了113個光子，比超級計算機快億億億倍。超導量子比特與光量子比特是國際公認的有望實現可擴展量子計算的物理體系。量子計算機對特定問題的求解超越超級計算機即量子計算優越性，是量子計算發展的第一個里程碑。中國科學院院士潘建偉稱希望能夠通過4到5年的努力實現量子糾錯，在使用量子糾錯的基礎之上探索用一些專用的量子計算機或者量子模擬機來解決一些具有重大應用價值的科學問題。    

四、量子霸權及量子計算機對未來世界的影響  

    2019年有兩件引起世人關注，一個是IBM公司在年初的國際消費類電子產品展覽會（CES）上，展出了最新的量子計算機模型，另一個，則是谷歌在《自然》雜誌上發文，宣告“量子霸權”，IBM傳達的只是：把以往被關在數十平方米計算中心裡的量子計算系統，做到了能夠一體化交付的狀態但離真正意義上的商用還相去甚遠。谷歌在《自然》雜誌上發表的（用可編程超導處理器實現的量子霸權）的論文，助其率先實現了量子霸權。論文提到，谷歌團隊研發出了一款由54個量子比特（qubits）組成的量子處理器，命名為西克莫，它只花約200秒的時間完成超級計算機來需要花1萬年才能完成的任務。但中國的祖沖之計算機已後來居上。阿里達摩院發布的2020十大科技趨勢中，趨勢七就是量子計算進入攻堅期。量子計算機技術的實際運用，在經濟上，信息時代是被各種軟件和硬件所支撐的，金融、科技、、軍事、行政、基礎設施等方面的數據庫就是“心臟”，一旦“心臟”陷入癱瘓，所有軍事、行政、經濟基礎都將陷入癱瘓。量子計算機出現後，幾百萬年破譯不了的信息都能破譯，也就是說，一旦一國掌握了量子霸權，其他國家軍事、政治、銀行、基礎設施等諸多方面的數據庫都將很容易遭到攻擊，無論再強大的國家都可能在瞬間癱瘓。例如在導彈攔截過程中，攔截導彈的運行速度及攔截方運算的速度是戰鬥勝利的關鍵，各國比拼的實際就是飛彈軌跡運算速度，量子計算機的速度優勢是無庸置疑的。