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煮酒品劍82：量子計算

楊惟雯

量子電腦非常擅長處理複雜的計算，目前，量子資訊技術的兩大主流應用領域分別是量子通信和量子計算(quantum computing)。
而量子計算憑藉著傳統電腦永遠無法匹及的超高速計算能力，為很多領域的發展提供了新的想像空間。

一、什麼是量子計算？

量子計算技術是應用量子力學原理來進行有效計算的一種新模式，其借助量子態的疊加特性來實現傳統電腦無法實現的平行計算。其不但可以提供更多的比特(bit)以及更高的時鐘速度，它還提供了一種基於量子原理的演算法的全新計算方法。

簡單來說，傳統電腦在0和1的二進位系統上運行，稱為比特(bit)。但量子電腦基於量子比特(qubit)，可以將0和1疊加計算，這意味著量子電腦能比普通電腦處理多得多的可能性。若能成功應用，人類將在人工智慧、航空航太等領域取得飛躍進展。

再依Fortune、巴倫(Barron)報導，量子運算是指利用次原子粒子(subatomic particle)，執行複雜任務。

傳統電腦以二進位的「位元」紀錄資料，一次只能儲存0或1的狀態。量子電腦以「量子位元」(qubit)紀錄數據，能同時處於多種狀態。換句話說，由於每個次原子粒子可以多工運作，量子電腦能一次處理多種任務。

二、量子計算的效能

微軟2017年9月25日在佛州「Ignite」會議上大談量子運算，看好此一領域的無窮潛力。另外，IBM和谷歌也都看好量子運算的潛能。

微軟執行長Satya Nadella以迷宮來解釋一般電腦和量子電腦的差別。一般電腦若要走出迷宮，需要先試走某一條路，撞牆後倒退，重新嘗試，直到找到出路為止，需要花上許多時間才能找到答案。但是量子電腦能編碼資訊，不只0或1的狀態，而是0和1一起，可以同時試驗迷宮內的所有路徑，這就是量子的威力。

量子運算的潛能在於原本需要花上好幾個世代才能處理的問題，有了量子運算在數小時或幾天內就能解決，比方說人工智慧、清淨能源、全球暖化……等。

例如人工智慧的發展需要電腦通過對海量資料的分析和挖掘進行自主學習，因此對電腦的大規模資料處理能力具有非常高的要求。正是由於憑藉量子物理學的神奇屬性來表徵資料，能夠解放出無窮大的資料處理性能。

另外，量子計算和模擬因其超快的平行計算和類比能力，可為密碼分析、氣象預報、石油勘探、藥物設計…等大規模計算難題提供解決方案。

但是量子運算難題仍多，次原子粒子難以處理，量子電腦也還在研發當中，仍有許多障礙。

所以，微軟釋出新程式語言，協助工程師編寫能在量子電腦上執行的演算法。

三、華爾街已開始使用量子計算技術掘金

華爾街已經開始考慮使用這一技術，並且向相關企業進行投資。

現在投資經理依賴電腦處理海量資料，並預測利率、股票、匯價以及經濟指標，傳統技術可以提供對成千上萬個投資情景的可能性評估，但量子電腦可以計算出所有可能的情景，以便找出最佳投資組合，獲得最優的風險調整後的收益。

四、量子支票--淘汰比特幣們的新技術

科學家們已經證明，量子電腦在理論上可以創造一種幾乎不可複製、不可篡改的交易系統——量子支票。這種交易系統比數位加密貨幣（如比特幣）還要安全。量子科學正在努力取得新的進展，其中之一就是在理論上證實這項技術可以被用於支付。

（一）量子支票幾乎不可複製、不可偽造

印度科學研究院的科學家Prasanta Panigrahi正帶領他的團隊對此展開研究，證明量子電腦在理論上可以創造和實現幾乎不可偽造的量子支票，並認為隨著量子技術的發展，量子支票在不久的將來將成為現實。這是一種比現行數位貨幣還要安全的交易體系。它採用兩個配對的量子比特進行身份和交易系統驗證，幾乎不可複製、不可偽造。

量子計算的出現使得人類的計算水準向上飛躍了一個層級。它的出現將不僅僅是對數位貨幣體系造成打擊，還包括對所有的電子交易系統，甚至一切人們在網路上留下的隱私資訊，都逃不過它的狙擊。

（二）量子支票需要一個中心化的運營平臺

量子支票與數字貨幣去中心化的構想安全相反，量子支票需要一個中心化的運營平臺對交易使用的量子比特進行驗證。就像人們簽署了合同仍需要協力廠商裁決一樣，量子支付的支付理念沒有什麼新穎之處，只不過是使得這份合同方幾乎不可偽造而已。

而不可偽造、捍衛交易系統的安全，是一個貨幣系統最起碼的信用保障。在一個量子算力時代，最重要的事情不是去中心化，而是如何逃避量子計算的狙擊，使使用者的交易資訊不受損失。

作為量子支付最有望投入運用的場所之一，商業銀行將有權發行自己的量子支票。這使得目前受數位貨幣“去中心化”概念撼動的銀行，可能成為這場技術革命最大的受益方之一。

（三）理論上的顛覆，但仍前路漫漫

不過，雖然在理論上被證實具有可行性，但在現實中實施起來依然前路漫漫。
 

首先，根據量子支付的設計理念，每次支付都將消耗兩個量子比特，而現在被IBM製造出來的最先進的量子設備，也只有16-17個量子比特。就算谷歌在今年製造出了49個量子比特的計算設備，要使交易實現普及化依然十分艱巨。

此外，IBM製作出的量子只能在停留幾毫秒，這樣的量子被投入支付幾乎不具備操作性。