驅動AI、醫療、通訊新變革，量子電腦將顛覆世界
量子電腦的厲害之處，在於可以在很短的時間內，解決本來需要耗費數十年，甚至好幾個世代才能解決的問題，雖然目前仍面臨許多障礙與困難，但在可預期的未來中，這項新科技將可以用哪些型式顛覆未來世界呢？
人工智慧
量子電腦擁有極快的運算能力，將能大大顛覆人工智慧（AI）發展以及應用場景，利用可以快速處理大量資訊的特性，能夠解決傳統電腦所不能解決的問題。
未來量子晶片將能讓人工智慧邁向行動化，不論是無人機、手機、無人車，都能藉由量子運算系統，即時因應狀況處理資料，若量子電腦能克服只能在低溫環境運作的特性，將能提升資料傳輸效率，甚至透過量子系統加速機器學習速度。
生技醫療
新藥研發是一條漫長且所費不貲的過程，必須通過臨床實驗、主管單位核准等繁複過程，往往需耗費十年之久才能正式上市。
一款藥品是各種化學成分之間的組合交錯，化學家必須嘗試、評估各種組合，才能知道哪種配方可以對疾病有功效，這需要大量的時間、精力不斷嘗試，量子電腦高速的運算特性，可以大幅縮短藥品研發流程，可以協助人類快速檢查藥品配方、計算出最適合的成分。
不僅能提升效率，更能減少人為失誤，能在最短的時間針對疾病，設計出最有療效的藥品，將可大幅縮減藥品的研發成本與加快上市時間。
加密貨幣市場受威脅
區塊鏈最為人所知的應用之一「加密貨幣」在近年掀起熱潮，許多人會透過「挖礦」的方式來獲得虛擬貨幣，那麼擁有高速運算能力的量子電腦，如果加入挖礦的行列，有沒有可能憑著運算優勢為所欲為讓比特幣市場瓦解呢？
對此，新加坡國立大學資工系教授 Divesh Aggarwal 博士曾進行研究，將未來十年量子電腦運算能力的預測，與目前傳統電腦硬體的運算能力做比較，結果顯示現有的硬體在十年內仍能在速度上占有優勢，量子電腦瓦解挖礦的狀況應該還不至於太快發生。
但加密貨幣本身的安全性恐怕也將成問題，目前比特幣透過私鑰以及公開的公鑰進行加密，交易時可以在不公開私鑰的情況下，透過數位簽章驗證持幣者是否持有私鑰，這種技術稱為「橢圓曲線數位簽章演算法（Elliptic Curve Digital Signature Algorithm）」，而量子電腦有能力解開大部分加密技術。
工研院產經中心經理林澤民就以虛擬貨幣的公鑰與私鑰舉例，傳統電腦要解開私鑰約需耗費1,092億年，但在量子電腦的幫助下，100量子位元的量子電腦只需要三個小時就能破解，對資安甚至國安都是一大威脅 。
隨著量子電腦技術的演進，將會對現在的加密技術安全性產生威脅，Aggarwal 博士更斷言，現行的橢圓曲線數位簽章演算法將可能在2027 年被量子電腦徹底破解，因此目前美國、日本為了因應量子電腦時代，都開始投入新密碼架構的研發。
量子通訊
「量子力學傳送」在十多年前仍只是理論階段，量子傳送必須以「量子糾纏」為基礎，意思是幾個粒子彼此作用後，每個粒子所有的特性都會綜合成為整體性質，無法單獨描述各別粒子的性質，只能描述整體系統的性質，物理學家愛因斯坦（Albert Einstein)曾稱量子糾纏是「鬼魅般的超距作用」。
如何長距離傳輸纏結光子，一直是量子加密通訊一大難題，中國在2016 年 8 月發射量子衛星「墨子號」，任務之一就是從衛星向地面發射糾纏量子，由於量子通訊的安全性是基於量子物理的基本原理，而非一般的加密技術，因此若能有所進展，將能從根本解決資訊安全問題，避免駭客攻擊和竊聽。
2017年中國研究人員表示，「墨子號」順利從太空傳送了「無法破解的」高速量子密鑰，被稱為「中國量子之父」的物理學家潘建偉表示，量子密鑰分發是目前人類唯一已知不可竊聽、不可破譯的安全通訊方式。
量子密鑰分發就像是一個人要把寶物交付給另一個人，需要同時將放置寶物的箱子以及鑰匙一起交出，而鑰匙正是唯一可以開啟箱子的工具，一旦鑰匙被動過手腳，寶物持有者就會發現並將原本的鑰匙作廢，並換一把新鑰匙，確保收到寶物的人是對的。量子加密通訊採用「一次一密」機制，一旦量子密鑰被駭客攔截，自身狀態便會改變，攔截者將無法取得資訊，而「墨子號」的實驗，將為全球量子通訊奠定基礎。
下個世代運算工具，揭開量子電腦神秘面紗
2016年四月，當時上任不到一年的加拿大總理杜魯多（Justin Trudeau），在一個公開場合以35秒解釋什麼是量子電腦，影片在網路上被大量轉貼、討論；隔年三月《經濟學人》雜誌就以「量子躍遷（Quantum Leap）」為主題，介紹了量子技術的展望，讓量子電腦躍上大眾視野。
微軟執行長薩蒂亞・納德拉（Satya Nadella），也曾將人工智慧（AI）、混合實境（MR）、量子電腦，並列為重塑未來世界的三種開創性技術，Google、IBM、Intel、微軟，以及許多研究人員近來也都以打造可以商業使用的量子電腦為目標，雖然這項顛覆以往思維的運算技術仍只是在起點，但你我都應該從現在開始認識量子電腦，了解這項科技將在未來扮演關鍵角色。
加拿大總理杜魯多（Justin Trudeau）面對記者提問，解釋什麼是量子電腦，迎來現場群眾一陣掌聲。
運算速度更強大，拆解量子電腦背後原理
量子電腦的概念，來自1982年物理學家理察‧費曼（Richard Feynman）將量子體系用於運算的想法，不過在那個年代都僅止於理論推導，但卻也是翻轉現代電腦科學重要的關鍵點，簡單來說，量子電腦的運算速度可以超越現在生活中，你我使用的傳統電腦，以更快的速度解決生活中的各項難題。
一般電腦（包括桌機、筆電、平板、智慧型手機）都採用二進位制的計算單位「位元（bit）」，意思是0與1的二分法，一次只會出現0或是1單一種狀態，也就是「yes/no」形式；量子電腦則採用「量子位元（qubit）」，這種計算方式有「疊加（superposition）」特性，可以同時出現0與1，產生00、01、10、11的疊加狀態，也就是「yes/no/both」形式。
《華爾街日報》曾比喻，如果傳統位元是靜止的硬幣，一次只能出現正面或反面，量子位元就像旋轉中的硬幣，正反兩面都可以同時出現；或者也可以將傳統電腦想像成單一種樂器，量子電腦就像是眾多樂器組成的交響樂團，能夠一次同時演奏不同的段落。
量子電腦之所以被稱為「下個世代的運算工具」，是因為可以在多管齊下、同步測試各種可能找出答案，透過量子電腦，可以幫助人類在短時間內完成一般電腦需要花上數十年才能解決的問題。
之所以能擁有這麼快的運算速度，靠的是量子疊加（superposition）、量子纏結（entanglement）這兩大量子特性。
量子疊加指的是每單位可以0或1、0與1相互疊加，形成00、01、10、11四種組合；量子纏結則是指量子位元可以分組聚合、一次同步計算各種可能性，也因為如此，運算能力才能大幅提升。
目前面臨的技術困境？
穩定性不足
量子電腦這項科技已經真實存在，但要能實際在商業上應用，仍有許多困難需要克服，目前量子電腦的穩定性不夠，容易受到熱能、電磁輻射等外在環境干擾，必須將處理器存放在絕對零度（零下273攝氏溫度）的環境中，才能讓人類與量子電腦一起工作，目前為止因為打造這樣的環境條件仍需要相當困難的技術，也導致量子電腦發展速度受到限制。
錯誤率有待降低
此外，要達到商業化的目標，處理器要達到50量子位元（qubit）、雙量子位錯誤率低於0.5％的標準，才能符合「量子霸權」(quantum supremacy）定義，Google在今年三月推出72量子位元處理器「Bristlecone」，雖然已達到標準，但目前錯誤率的穩定仍是一大關鍵。
為了避免熱能、電磁輻射等外在環境干擾，必須將處理器存放在絕對零度（零下273攝氏溫度）的環境中。
開發量子軟體
最後，量子電腦要能真正發揮作用，同步開發量子軟體也很關鍵，高度的運算複雜度，使得開發人員必須具備一定程度的物理、數學、軟體工程知識，但由於初期研發出的量子電腦硬體規格不一致，所以軟體大多必須客製化。
量子電腦預計在10年內就能從實驗室邁向商用，為人類生活帶來天翻地覆衝擊，在未來世界中，誰能掌握量子電腦技術，就擁有優勢制霸權，也因此各家科技大廠、各國政府無不積極迎戰，就像前微軟首席研發策略長克瑞格・蒙迪（Craig Mundie）說的：「這是70年來，我們第一次建構一個完全不同的運算系統，這並非升級或改進，而是一個完全不同性質的新事物。」
搶奪「量子霸權」，科技巨頭把量子電腦帶出實驗室
量子體系用於運算的想法，早在上個世紀1980年代，就由物理學家理察‧費曼（Richard Feynman）提出，然而量子電腦一直被視為如白日夢一般遙不可及的未來，近幾年IBM、Google、微軟（Microsoft）、Intel等科技巨頭，紛紛投入量子電腦領域後，才讓量子電腦有從實驗室慢慢走向一般商用領域的跡象。
摩根士丹利曾在2016年表示，未來十年，量子電腦將會對許多產業產生重大影響，更預估高端的量子電腦運算市場，2025年會達到100億美元的價值，各家大廠磨刀霍霍投入大量資源做研發，為的就是達到「量子霸權（quantum supremacy）」的目標。
「量子霸權」是2012年，由加州理工學院物理學家焦恩・普瑞斯基爾（John Preskill）所提出的概念，意思是當量子電腦發展到50量子位元（qubit）時，運算能力將會超越世界上所有電腦，具有解決傳統電腦所解決不了問題的能力。
而目前究竟有哪些公司正著墨在這個領域呢？
微軟
2005年，微軟當時就由數學家 麥可・弗里德曼（Michael Freedman）領軍，成立研究拓撲量子運算的「Station Q」實驗室，微軟執行長薩蒂亞・納德拉（Satya Nadella）認為，量子電腦的高速運算速度可以幫助人類解決像是醫療、能源，這類傳統電腦運算需要花上百萬年時間才能解決的難題，研究人員能因此受惠加速開發出新的材料、程式等。
去年九月也公布兩款量子模擬器，一款可以實際在一個場域中運作，另一款能夠在微軟Azure雲端平台上運作，微軟負責量子軟體開發的資深研究員Krysta Svore談到：「量子模擬器能讓開發人員在實體機器尚未問世的情況下進行開發工作；量子電腦能夠自動進行建模，如果是透過傳統電腦，我們並不能真正了解這些流程。」
藉由程式語言Q#，協助開發者開發量子電腦的軟體，加快量子運算走向商業化。
去年12月，宣布推出一款程式語言「Q#」，可以協助開發者為量子電腦開發軟體，喊出要在五年內讓量子電腦進入商業市場的目標；今年（2018）三月，微軟研究員透過由半導體材料和超導材料製作的奈米線材，發現馬約拉納費米子（Majorana fermion）存在的證據，它是一種穩定量子訊息編碼方式，微軟希望在今年可以將費米子轉化為量子，並在五年內提供商業使用，意味著微軟在量子電腦的努力上又邁進了一步。
IBM
IBM同樣在量子運算領域深耕多年，1998年就開發出第一個量子位元，2016年就開發出具有 5 量子位元（qubit）的量子電腦，一年多後，IBM就宣布研發出全世界第一台50量子位元（qubit）的量子電腦，並在2018年的消費電子展（CES）上正式亮相。
在公開展示50量子位元電腦內部結構時，IBM研究主席Jeffery Welse表示，目前所遇到最大的挑戰是溫度，因為量子位元可能因為噪音等干擾導致數據流失，為了將干擾降到最低，必須將處理器放置在比太空還冷上250倍的低溫環境中。
當量子電腦發展到50量子位元（qubit）時，運算能力將會超越世界上所有電腦，就稱為「量子霸權（quantum supremacy）」。 IBM
Jeffery Welse談到，IBM有信心在來十年內打造出一台具備50到100位元的量子電腦，「只需要幾分鐘的時間，就能得到傳統電腦花費五天運算才能得到的結果。」雖然目前IBM量子電腦的應用大多仍處於科學研究階段，但50量子位元（qubit）的出現，也激起不少人對於量子運算的期待與想像。
Google
Google應該可以說是目前在這塊領域跑得最快的公司了，今年三月Google量子 AI 實驗室（Google Quantum AI lab）公布了具備72量子位元（qubit）的處理器「Bristlecone」將IBM先前推出50位元的處理器遠遠拋在腦後。
在處理器「Bristlecone」之前，Google的量子電腦產品只有9位元（qubit），而依據「量子霸權」達到50量子位元（qubit）的定義，理論上這款處理器已經比量子霸權的定義更大，但錯誤率的穩定仍是一大關鍵，先前Google的9量子位元處理器有達到錯誤率0.6%的成績，而這次官方並沒有公布Bristlecone的錯誤率，但仍在聲明中強調若錯誤率可以下降，將可以超越目前的超級電腦，處理龐雜的運算問題，指出雖然目前沒有人能真正達到量子霸權目標，但仍對目前發展相當樂觀。
Google 量子 AI 實驗室（Google Quantum AI lab）公布了具備72量子位元的處理器Bristlecone。 Google
量子電腦要能真正商業化，必須達到100萬量子位元以上才合格，以現階段72量子位元以及錯誤率無法降低的狀況來看，量子電腦還有許多困難等待突破。
Intel
今年消費電子展（CES）上，Intel 執行長布萊恩‧科再奇（Brian Krzanich）展示了代號為「Tangle Lake」的49量子位元（qubit）的超導測試晶片。
跟先前推出17量子位元（qubit）的規格相比，已經取得相當大的進展，Intel 副總 Michael Mayberry談到，商業化是每間公司的最終目標，但至少還要５到７年才能從技術進入到商品化階段。
D-Wave
D-Wave 系統公司，是一家來自加拿大，創立於1999年的量子電腦公司，在2011年時推出第一台商用量子電腦，但當時能解決的問題及性能相當受限。
量子電腦擁有強大的運算速度，靠的是量子疊加（superposition）、量子纏結（entanglement）兩大量子特性，但D-Wave推出的電腦並沒有發生量子纏結，於是使用了一種叫「量子退火（quantum annealing）」的技術，讓每個量子位元和附近的量子位元相互糾纏。
D-Wave 是目前唯一有正式出貨量子電腦的公司，而Google一開始開發量子電腦時，也是使用D-Wave的量子電腦做研究。
Rigetti
成立於2014年的Rigetti，是一家量子電腦新創，目標是「打造世界上最強大的電腦」，目前已經獲得超過 6,900 萬美元的融資，專門生產開發量子電腦的軟體。
2016年六月，Rigetti推出8量子位元（qubit）的晶片，以及一個叫「Forest」的雲端服務，讓開發者可以在上面寫代碼，模擬量子電腦運作的情況。
阿里巴巴
從2015年開始，阿里巴巴就開始關注量子運算領域，宣布聯合中科院成立亞洲首個量子計算實驗室。
匈牙利裔美國計算機科學家馬里奧‧塞格德（Mario Szegedy）、密西根大學終身教授施堯耘都是阿里雲量子實驗室（AQL）的成員，今年（2018）五月，團隊宣布成功研發名為「太章」的量子電路模擬器，這款軟體模擬器將有助於加快量子電腦研發。
