量子電腦是近年來火紅的話題之一， 其原因不外乎就是它潛在強大的運算能力。「現在運算量愈來愈大，科學上、工程上也都尋求更好的運算方法。」工研院電子與光電系統研究所吳志毅所長表示，「理論上來說量子電腦會比古典電腦更好！」量子電腦因為革命性的運算能力，近年成為火紅的話題，不過相關理論架構在幾十年以前就出現了。
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<h2>量子圖靈機模型　昭示未來量子計算的可能 </h2>
美國的物理學家班尼奧夫（Paul Benioff）是發展量子電腦的先驅之一。班尼奧夫將量子力學的概念初步引入到圖靈機（Turing machine） 中，在1980年發表了「量子圖靈機（Quantum Turing machine, QTM）模型，向世人展示量子計算的可行性。
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接著幾年，美國物理學家費曼（Richard Feynman）與蘇聯的數學家馬寧（Yuri Manin）各自拓展量子電腦的概念。由於量子力學與一般我們所熟悉的世界有著完全不一樣的特性，因此利用古典電腦來模擬量子力學世界中的現象並不容易。除此之外，他們認為量子力學框架下，要用電腦模擬計算真實世界多粒子的變化，所需要的複雜度遠遠超出古典電腦的極限。費曼在1981年5月的《物理與計算》（Physics and Computation）研討會中，以《用電腦模擬物理》（Simulating physics with computers）為主題，曾形容量子電腦是一臺與現在電腦的原型圖靈機「完全不一樣的機器」。量子電腦概念出現幾十年後，今天全世界各國的科學家們仍在努力發展他們所預見的未來。
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<h2>量子電腦核心　存在無限可能的量子位元</h2>
古典電腦中，資訊的最小單位叫做「位元」（bit），無論任何時候，位元都會是0或1其中一種狀態。但量子電腦所使用的最小單位則是「量子位元」（qubit），0和1可以各自的機率同時存在，這個現象稱為「量子疊加」（quantum superposition）。清華大學物理系果尚志教授解釋：「用地球儀來想像，古典（位元）一定是北極或南極，量子位元可以是地球儀上的任何一個點！量子位元所能傳達的訊息會比位元多非常多！」在0與1間，量子位元有著無限多的可能性。另一個量子電腦的核心概念是「量子糾纏」（quantum entanglement），想像有個袋子，裡面裝了一個球，如果從裡面把球抽出來一看，可能是紅色、也可能會是藍色。若讓2個人各拿著一個袋子，從裡面把球抽出來，抽出來的球有可能是2個紅色、2個藍色、或是一紅一籃。但在特殊條件下，2個人不管怎麼抽，不管距離多遠，都一定會抽出一樣顏色的球，「這就好像兩個人糾纏在一起一樣！」果尚志教授表示。
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「量子糾纏」或許是量子現象中最令人難以理解的，2個人或袋子是怎麼互相影響的？為什麼無論距離多遠都有效？這在古典的世界裡面完全無法找到相對應的概念，也難怪愛因斯坦會用「鬼魅般地超距作用」（spooky action at a distance）來形容了。
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<h2>實現量子演算法　發揮量子電腦的運算力</h2>
「量子疊加」和「量子糾纏」這2個現象讓量子電腦擁有與古典電腦完全不同的能力。正如費曼所說，量子電腦並非是一臺「很快的電腦」，而是一臺完全不一樣概念的機器。以交通工具來比喻，古典電腦就像是汽車，而量子電腦則像是飛機。飛機當然有辦法執行我們平常給汽車的指令（如在地面上前進等），但這樣完全無法發揮飛機真正的功能。因此，為了讓量子電腦能夠發揮真正的作用，還需要為量子電腦打造「量子演算法」。
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最著名的演算法，莫過於1994年數學家彼得．秀爾（Peter Shor）所提出的「秀爾演算法」（Shor&#8217;s algorithm）。利用量子電腦的特性，秀爾演算法專門用來進行「質因數分解」，將2個質數相乘是簡單的事情，但要將相乘結果分解回2個質數則相對困難。舉例來說，要計算出83、97相乘的結果，就算不用計算機，過個幾秒也能算出答案是8,051；但若要找出8,051是哪2個質數相乘，顯然困難許多。
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質因數分解在密碼學有著重要的功用。現行網路加密使用的是羅納德．李維斯特（Ron Rivest）、阿迪．薩莫爾（Adi Shamir）、倫納德．阿德曼（Leonard Adleman）三人所發明的「RSA加密法」，與質因數分解的原理息息相關。如果能夠將使用的數字成功分解出原始的2個質數，就可以破解密碼。只要使用夠大的數字來鎖訊息，要靠古典電腦破解就幾乎不可能，然而現行的RSA加密大多使用2,048個位元組成的數字（大約615位數）。根據估計，若使用古典電腦分解像這樣的一個數字得花上300兆年！
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如果能掌握快速質因數分解的技術，就有能力快速破解密碼，這就是秀爾演算法所擅長的。一旦有人能成功地將秀爾演算法真正應用在量子電腦上，那他或許就掌握了破解網路上大多密碼的技術！但目前估計，要在8小時內破解一組2,048位元的數字（大約615位數），需使用近2,000萬個量子位元才能實現，而目前量子電腦最多也只發展到100個左右的量子位元，距離破密還有很長的一段路要走。
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另一個重要的量子演算法是1996年的Lov Grover所提出來的「格羅弗演算法」（Grover&#8217;s algorithm），又被稱為「量子搜尋演算法」（quantum searching algorithm），功能是「搜尋資料庫」。古典電腦如果要在N筆資料裡面找到特定的其中一筆，必須要一筆一筆比對，大致上來說得比對N次才能找到。但格羅弗演算法利用量子電腦的特性，只需要√N次就可以做到。資料庫裡的資料愈多，利用量子電腦搜尋速度就愈快！
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<h2>國際科技大廠的量子霸權之爭</h2>
量子電腦潛力無窮，目前世界上有許多高科技資訊公司都積極投入量子電腦的開發，包含IBM、Intel與Google等。
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IBM在2019年發表的「IBM Q System One」是第一款商業化量子電腦，具有20個量子位元。為了維持電腦周遭環境的穩定，整臺電腦放置在一個邊長為2.7公尺、厚度達1.27公分的玻璃立方體內。然而，這臺電腦並沒有實際的商業價值，而是提供學術研究使用，只要與IBM簽約合作，就可以透過雲端方式使用這臺量子電腦。目前約有150個單位和IBM簽約，其中包含在科技部支持下成立的「臺灣大學-IBM量子電腦中心」，於2019年開放大眾申請。
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Google在2019年則發表了「梧桐量子電腦」（Sycamore），擁有53個量子位元。這臺電腦僅花了200秒，就解決了傳統超級電腦得花上萬年才能解決的問題，宣稱這臺電腦達到所謂的「量子霸權」（Quantum supremacy）。不過，卻遭到IBM批評，使用IBM的超級電腦加上更好的演算法，在最糟的情況下，使用傳統超級電腦2.5天一樣能解決問題，正確性還更高，並不算達到真正的量子霸權。
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2020年Google使用梧桐量子電腦（Sycamore）成功模擬特定的化學反應，由於化學反應本身也受到量子現象的影響，因此更適合使用量子電腦的特性來計算。這項研究向世人展示了量子電腦的實用性，讓量子電腦不再是紙上談兵，而是實際投入應用的機器。
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<h2>邁入古典與量子電腦混和使用的時代</h2>
量子電腦未來還有許多能應用的方向，吳志毅所長表示「量子電腦在處理『最佳化』的問題時是很厲害的。」未來可解決一些高複雜度的計算，如天氣預報、道路交通控制、藥劑研發、化學合成等問題。「量子電腦在某些領域的強大不可否認，但目前情況只限定特定領域，用來解決那些古典電腦可能得花上萬年才能解決的問題。」吳志毅所長說道，「可是古典電腦可做的事情更多了，要控制螢幕、要資料儲存、要程序排程等多項程序。」如若將量子電腦想像成高速公路，而古典電腦則是其他的道路；高速公路雖然比較快，但絕大多數時候，並無法滿足所有的道路需求，還是需要平面道路、交流道等居中連接。
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雖然目前看起來量子電腦還無法像古典電腦能大量生產製造，但仍有其商業價值。吳志毅所長解釋，「就像現在的超級電腦一樣，雖然量體不大，但仍有商業價值。事實上IBM就正在做這件事情。」除此之外，雖然現在很難想像量子電腦的普及，但未來的科技會如何變化則未可知。吳志毅所長認為，「現在量子電腦的發展階段就像幾十年前古典電腦剛發明出來的時代，我們沒有辦法預測7、80年後，量子電腦會不會也能發展成一小片晶片。」面對無法預測的未來，臺灣必須積極做好準備，才不會在量子時代中被淘汰。
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（客座總編輯 |國立陽明交通大學電子物理系 張文豪教授、國立清華大學物理系 林秀豪教授；研究顧問團隊 | 中央研究院物理所 王明杰研究員、工研院電子與光電系統研究所 吳志毅所長、中央研究院資訊科學研究所 鐘楷閔教授、國立清華大學物理系 果尚志教授；責任編輯 | 段芊卉、葉于甄）

IBM在2019年發表的「IBM Q System One」是第一款商業化量子電腦，具有20個量子位元。

Google在2019年則發表了「梧桐量子電腦」（Sycamore），擁有53個量子位元。