2018/04/27 文／林明宜 │ 國家實驗研究院科技政策與資訊中心助理研究員

（二）量子電腦在化學和製藥的應用

一般專家普遍認為，化學將是量子運算最強且最立即的應用。量子電腦將可以用來幫助設計乾淨能源所需要的催化劑，了解生物體內的酵素，發現新的太陽能電池材料或高溫超導體材料。它的優勢在於超乎現有傳統電腦的強大運算能力，足以真正模擬和創造複雜的電子和分子互動模型。 一般進行化學反應模擬時，由於需了解各分子所含原子彼此間互動情形，需計算各原子的電子互動能量，包含所有電子的位置和能階（即軌域）。現有的傳統電腦在 125 個軌域時，就需要超出宇宙所有原子數量的記億體來儲存所有的資訊，實際上無法處理如此大量複雜的資料和運算，因此現在的量子化學家在建模型時，常必須故意省略某些電子的行為特性，尤其是電子間強烈互動的情形。這種近似算法在模擬有機化學分子時是可以接受的，但是在金屬分子這種大量電子擠在極小空間的例子，電子間的強互動卻正是它的本質，被忽略就無法真正了解實際的化學原理。類似無法被簡化的傳統方式模擬的例子還有高溫超導體材料、含金屬的酵素活性位點等。然而量子位元的疊加特性使量子電腦能夠輕鬆完成這類運算，對新藥和新材料研發做出極大的貢獻，一旦技術成熟，新藥的研發前期將可透過量子電腦模擬化合物結構和生物體內酵素或受器的交互作用，對療效和副作用做較佳的預測，減少研發時間和成本，熟悉並且了解如何利用量子運算的廠商在新藥設計就會占有先機。

（三）量子電腦對比特幣市場和區塊鏈安全的威脅

虛擬貨幣比特幣和其他使用區塊鏈技術之應用的安全性，在於其加密的強度很高，不容易被傳統電腦破解，當擅長於複雜運算及密碼破解的量子電腦技術漸趨成熟，會不會對這些應用產生威脅？例如現行的比特幣協定，利用生成一個特定的隨機數（nonce）做為新區塊鏈生成的必要條件之一，而生成這個隨機數需要大量的計算能力，礦工挖礦就是提供計算能力，並獲得比特幣做為獎勵。然而偶爾會有兩組礦工同時宣告兩個不同的區塊，此時比特幣協定會以已完成較多運算的區塊為主，抛棄另一個落後的區塊，這會導致網路中擁有多數運算能力的礦工永遠獲得下一個區塊，成為控制比特幣帳簿的主宰。如果量子電腦加入挖礦的行列，並且展現出壓倒性超出其他礦工的計算能力，整個比特幣市場就可能瓦解。新加坡國立大學的研究人員針對這個可能，對未來十年量子電腦運算能力的預測和目前用來挖礦的電路運算能力成長做比較；結果發現，未來十年內現有的硬體還能夠在速度上占有優勢，量子電腦主宰比特幣挖礦的情況應該不至於馬上發生。然而比特幣的另一個安全協定特徵，橢圓曲線數位簽章（elliptic curve signature）卻可能更快在量子運算下暴露出弱點，比特幣的擁有者會握有一個私有密鑰和發布一個公開密鑰，在不公布私有密鑰的情形下，利用公開密鑰來證明自己是這個比特幣的擁有者，而公開密鑰可以很容易的由私有密鑰生成，反之則不然。雖然傳統電腦很難透過公開密鑰算出私有密鑰，對量子電腦來說卻很容易，研究人員估計在 2027 年這項安全協定就可能會被破解。雖然比特幣和其他虛擬貨幣還未真正普及，但其交易熱度和市場接受度日漸增加，在金融市場逐漸開始接受和嘗試奠基於密碼保護的數位化交易平台時，量子運算技術對區塊鏈的威脅和未來金融市場的衝擊不可小覷，在可見的未來，這場矛與盾的對決將隨著量子運算漸趨成熟，和區塊鏈技術的普及化越來越激烈。

結語：量子電腦的未來，企業與國家的挑戰

IBM 推出的 20 量子位元的商業化雲端量子運算服務，是量子電腦的重大里程碑，象徵著量子運算時代的曙光乍現，有些分析指出最快 2 到 5 年內，量子運算會開始進入實質企業應用。 如前文所述，也許量子電腦初期的應用是在於特定領域解決特定的問題，同時需搭配傳統電腦作為運算升級之用，但仍然具有極大潛在的商業機會或是風險。如同人工智慧的快速發展，一旦量子電腦起飛，企業和國家如何因應和準備，找到利基，建立差異化優勢，又如何預應風險，例如發展不受量子運算破解的加密方式，維護資料安全等，都需要全方位的整體性思考及規畫。