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從我們的歷史來看

人類的科技大都建立在腦、火與尖銳的棒子上

當火和尖銳棒狀物變成發電廠和核武時

腦的大進化已經開始發生

自從 1960 年來，電腦的運算能力呈獻指數性的成長

使得電腦愈來愈小，同時愈來愈強大

但是演化已經快碰到了物理上的極限

電腦元件尺寸正在趨近於原子的大小

為了說明這為什麼是個問題

我們必須要先講解一些基本知識

電腦是由執行簡單功能的簡單元件所組合而成

以呈獻數據、提供處理的方式、與控制機制

晶片包含模組，模組包含邏輯閘，邏輯閘包含電晶體

電晶體代表著電腦的處理器裡一個最簡單的型態

簡單說是個可以阻擋、通過資訊的開關

而此資訊是由位元構成，它可以設為 0 或者 1

多個位元的組合通常代表著更複雜的資訊

將電晶體組合後會變成邏輯閘，它還是只有簡單的功能

例如，一個 AND 閘只有在輸入值皆為 1 時才會輸出 1

否則就會輸出 0

最終組合不同的邏輯閘形成了有意義的模組

比方說加法的功能模組

一旦你能夠使用加法，你也可以使用乘法

一旦可以使用乘法，基本上什麼都可以做了

自從所有基本運算都比一年級的數學簡單

你可將電腦想像為一群在回答基礎數學題的 7 歲小孩

足夠數量的小孩可以計算所有的東西

不論是天文物理或薩爾達傳說

然而隨著元件愈變愈小，量子力學讓事情變得很詭異

簡而言之，一個電晶體只是一個電流開關

電流表示電子由一端流向另一端

所以開關就是可決定是否讓電子流過的單向通道

現今的電晶體尺寸大約是 14 奈米

是 HIV 病毒直徑的 1/8 倍

然後是紅血球的 1/500 倍

當電晶體小到僅幾顆原子大的尺寸時

電子會無視阻擋將自己傳送到另一端

這現象稱作量子穿隧效應

在量子世界裡

物理運作方式和我們平常看到的不太一樣

而傳統的電腦就開始沒邏輯了

我們的科技正一步步接近物理的極限

為了解決這問題

科學家嘗試利用量子物理不尋常的特性中的優點

方法就是製造台量子電腦

在一般電腦中，位元代表著資訊的最小單位

量子電腦使用的是量子位元

他同樣可以設成 0 和 1

一個量子位元可以是任何二階的量子系統

像是自旋和磁場，或是單一的光子

0 和 1 是系統中可能存在的狀態

就像是光子橫向或縱向的偏振

在量子世界裡，量子位元不一定是這兩種狀態之一

他可以在他們間同時表現出所有的偏振狀態

這被稱作為量子疊加

但當你想把一個光子送到濾波器做測試時

它必須決定自己是縱向或橫向偏振

所以當它被觀測之前

量子位元就代表著 1 和 0 間所有可能的疊加狀態

你無法預期是哪個狀態

但當你測量它的瞬間，它將會塌陷為一個固定的狀態

量子疊加狀態改變了遊戲的規則

四個傳統位元中，每個位元各自表示兩種狀態中的一種

這共包含了 16 種不同的組合，但只能使用其的一組

四個量子位元則可以同時代表著 16 種狀態

每增加額外的量子位元，組合數將會是指數性的成長

20 個量子位元就可以平行儲存 100 萬個數值

量子位元還有一個詭異並不確定性的特性

那就是量子糾纏

他使另一組糾纏狀態的量子位元呈獻與自己相反的狀態

就算他們之間被分開多遠都一樣

這意味著只要測量其中一個糾纏態的量子位元

利用這特性就能不用觀測而得知另一組結果

操控量子位元就像是腦筋急轉彎

一個普通的邏輯閘有著單純的輸入，

並產生一個固定的輸出

量子閘輸入一個疊加

旋轉他改變機率，輸出另一個疊加

所以一台量子電腦操作部份的量子閘產生糾纏

並控制機率，最後測量輸出

讓疊加狀態崩潰後得出最後結果的 0 和 1

這意味著你可以將這麼多種可能性同時進行運算

最終你只會測量到一個結果

而這結果只是有很高的機率可能就是你要的

所以你可能要多計算幾次以檢查結果

但巧妙地運用疊加和量子糾纏

效率相比一般電腦將會是指數性的成長

所以量子電腦雖然無法取代現在的電腦

在某些領域他們是非常優越的

其中之一就是資料庫搜尋

一般電腦再資料庫中搜尋可能要搜尋每一份資料

量子演算法只需要原來運算時間開根號的時間

這在大型資料庫上會有著極大的差距

量子電腦中最著名的用法就是破解資訊安全機制

現在你瀏覽的銀行郵件還是被加密系統給保護著

藉由你給其它使用者不同組的公鑰

，來加密只有你能解密的訊息

問題是拿到公鑰的人可以計算出你的密鑰

幸運的是使用一般的電腦必須花上數年運算，

不斷地嘗試錯誤才有辦法解開

但對於量子電腦，由於運算速率是指數性的成長

可能只是小菜一碟

另一個著名的用法就是當作模擬器

模擬量子環境非常地吃資源

更或者一些巨大的結構體，例如分子結構

他們通常缺乏精準度

所以為何不用真實的量子電腦來模擬量子物理環境呢？

模擬量子環境可能讓我們更了解蛋白質的組成

這可能讓我們醫學大大地進步

目前我們並不清楚量子電腦會個是專門用途的工具，

還是為人類帶來大進化

我們還不清楚科技的極限在哪裡

然而只有一種方法可以找出答案