自從1960年以來，電腦的運算能力迅速成長，使得電腦越來越小、效能越來越強大，隨著電腦元件尺寸趨近於原子的大小，也一步步接近目前科技的極限，大家紛紛努力想要再進化，這個極限，可以靠量子電腦打破嗎？量子電腦又是什麼？它們可以為人類解決什麼問題？這部由 kurzgesagt.org 團隊提供的影音動畫，用大約七分鐘的時間，為你提供這些問題的解答，非常值得一看喔！本部影片有中文字幕，此外我們編修後也將內容逐字稿提供在本文下方，請多多利用。
影片來源: kurzgesagt.org
蔡怡鈴 譯
(0:00-0:36)
在人類的歷史上，科技包括人的思考能力、利用火的能力和使用矛的能力，隨著發展，火與矛已經變成了發電廠與核武器，而最大的進化是人的大腦，自1960年以來，電腦的運算能力呈指數性的成長，使電腦越來越小，卻越來越強大，但是它也已經接近物理的極限，電腦元件的尺寸正趨近於原子的大小，為了說明為什麼這是個問題，我們必須要先講解一些基本知識。
(0:37-1:50)
電腦是由非常基本的元件所構成的，只能完成非常基本的任務，以呈現數據、提供處理數據和控制的機制，晶片包含模組，模組包含邏輯閘，邏輯閘包含電晶體，電晶體代表著電腦處理器裡一個最簡單的型態，從功能上來說，它像是個開關，可以阻擋或允許資訊通過，而這些資訊是由位元構成，它可以設為0或是1，多個位元的組合通常代表著更複雜的資訊，將電晶體組合後就變成邏輯閘，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，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，由於這些基本運算都比小學一年的數學簡單，你可以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東西。
(1:51-2:27)
但是隨著基本元件越來越小，量子力學原理導致元件特性發生顯著變化，簡單來說，一個電晶體只是一個電流開關，電流表示由一端流向另一端，所以開關就是可以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，大約是HIV病毒直徑的1/8，是紅血球的1/500，當電晶體小到僅幾顆原子的尺寸時，電子會無視阻擋將自己傳送到另一端，這現象稱為「量子穿隧效應」。
(2:28-2:50)
在量子世界裡，物理運作方式和我們平常看到的不太一樣，所以傳統的電腦就開始失去功能了，我們的科技正一步步接近物理的極限，為了解決這個問題，科學家嘗試利用量子物理的不尋常特性，方法就是製造量子電腦。
(2:51-4:07)
在一般電腦中，位元代表資訊的最小單位，量子電腦使用的是量子位元，它同樣可以設成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，特別之處在於，量子世界裡，量子位元不一定是這兩種狀態之一，它可以在他們間同時表現出所有的偏振狀態，這稱為「量子疊加態」，但當你想把一個光子送到偵測器時，它就會變成是縱向或橫向偏振的其中一種，所以當它被觀測之前，量子位元就處於1和0間的某種疊加狀態，你無法預測是哪個狀態，但當你測量它的瞬間，它將會塌陷為0和1的某一種狀態，量子疊加態改變了遊戲規則，四個傳統位元中，每個位元各自表示兩種狀態的一種，這共包含了16種不同的組合，但只能使用其中的一組，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。
(4:08-5:22)
量子位元還有一個詭異並且不確定性的特性，那就是「量子糾纏」，它使另一組糾纏狀態的量子位元呈現與自己相反的狀態，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，利用這個特性就能不用觀測而得得知另一組結果，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態，旋轉它改變機率，輸出另一個疊加態，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，這表示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，但巧妙地運用疊加態和量子糾纏，效率比一般電腦將會是指數性的成長。
(5:23-6:12)
所以量子電腦雖然無法取代現在的電腦，在某些領域量子電腦是非常優越的，其中之一就是資料庫搜尋，一般電腦在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應用就是用來破解資訊安全密碼，現在你瀏覽的銀行郵件還是被加密系統給保護著，藉由你給其他使用者不同組的公鑰，來加密只有你能解密的訊息，但問題是拿到公鑰的人可以計算出你的密碼，幸運的是使用一般電腦必須花上數年運算，不斷地嘗試錯誤才有辦法解開，但對於量子電腦可以指數倍地加速這個運算過程。
(6:13-7:16)
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是否只應用在特定用途，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!
(這部短片由澳洲科學院贊助)
