量子電腦和量子網路：科技的下一場重大革命，它們如何運作和改變我們的世界

推薦序 從古典世界進入量子世界 張慶瑞
導論
第一章 何謂量子計算？
第二章 化不可能為可能
第三章 指數威力
第四章 破解密碼
第五章 模擬自然
第六章 量子前景
名詞解釋
注釋
中英名詞對照

 

導論

　　位於田納西州橡樹嶺國家實驗室，名為「高峰」之IBM超級電腦的重量是藍鯨的三倍，占據了兩座網球場的空間。它有兩百一十九公里長的線路，每秒可以執行超過三千億次的計算。二○一九年六月，它連續兩年成為世界上最快的超級電腦。

　　但大約在「高峰」獲得此一美譽的同時，它卻悄悄地被迎頭趕上。超越它的既不是勢均力敵的美國競爭對手超級電腦Sierra，也不是廣受吹捧、在二○二一年全面上線時估計其能力將超越「高峰」的日本超級電腦「富岳」。打敗「高峰」這部巨大機器的，原來是存放在加利福尼亞州聖巴巴拉海灘附近一間小型私人研究實驗室中、只有指甲大小的晶片。

　　這個名為「美國梧桐」的量子晶片，是由搜索巨擘谷歌的研究人員開發出來的。它構成了量子電腦（一種全新的、根據量子物理定律運行的、全然不同類型的設備）的核心部分。

　　量子電腦潛力無窮，最終可以徹底改變從人工智慧到新藥開發的一切。一部量子電腦可以幫助創造高效能的新材料、提升對抗氣候變遷的鬥爭，並完全顛覆保護我們隱私安全的加密技術。正如Discover 雜誌在該項研究之初所說的那樣，量子電腦「與其說是機器，不如說是一股自然力量。」

　　如其潛力得以充分發揮，這種設備將不僅是現有電腦更強效的版本，而且還以完全不同的方式運作，以至於能夠完成看似不可能的任務。這是因為其優勢和我們大多數人對宇宙的理念完全不同。如果不利用稍微模糊的類比，我們很難解釋得通。基於上世紀物理學家對宇宙發展出來全新的、更深入的理解，量子電腦可以有效發展一系列的全新能力。

　　量子科學家麥可．尼爾森和軟體工程師安迪．馬圖沙克，嘗試將用如下的比喻向一般人解釋此一異常複雜的現象：「試想你在下棋，而規則卻朝對你有利的方向改變，例如擴大『車』這枚棋子的移動範圍。」

　　此一額外的彈性能讓你更快跳到你想去的位置，因此就能更快將對手打死。

　　在某些情況下，量子電腦能讓你達成一百萬台超級電腦都無法成就的事。

　　這種說法絕非誇大，各位大可聽信。我們就要踏入嶄新的科技年代，而在其中，量子電腦將幫助我們開發更高效的旅行路線，讓科學家輕鬆應付科學實驗中的複雜數目。它有可能改變銀行分析風險的方式，也使化學家和生物學家細緻模仿自然世界的現象，並創造出全新的、更高效的材料和程序。威廉．賀利（綽號「胡利」）這位高科技企業家兼Strangeworks 公司（成立宗旨在於讓量子計算科技普及）創辦人表示：「這是有史以來最可觀的科技躍升，未來十年內計算科學發生的改變將勝於過去一世紀的成就。」

　　直到最近，一直都有人懷疑量子電腦是否真能運作。甚至今天，還是有人不相信實用版的量子電腦真能問世，因為他們認為，生產量子電腦是難上加難的任務，也將面臨工程上、製程上和數學上的挑戰。然而，在過去二十年間，世界上最大的公司（谷歌、亞馬遜、微軟、IBM、英特爾及其他）都爭先恐後在研發可用於日常生活中的量子設備。

　　二○一九年夏天，谷歌的一組研究人員在投入十年時間嘗試構建量子電腦後，完成了一個被稱為「量子霸權」的創舉。這個術語由物理學家約翰．普雷斯基爾新創，強調量子電腦可完成即使是世上最好的傳統電腦也永遠無法做到的事。

　　六月十三日，電腦史的里程碑時刻到來，因為當天谷歌的美國梧桐晶片（冷卻到比外太空還冷的溫度）只花三分二十秒便執行完一系列複雜的計算，而若改由超級電腦「高峰」來執行，則要耗上一萬年。這是一個畫時代的壯舉。倫敦帝國理工學院的物理學家彼得．奈特在幾個月後發表一篇研究論文時告訴《新科學家》雜誌：「這項科技實在了不起。這說明量子計算雖難，但並非不可能。這是邁向偉大夢想的墊腳石。」

　　它標誌了一個關鍵時刻：量子計算從純理論變成真正可行的技術。自谷歌宣布這項成果以來，政府和風險投資家已對此一領域挹注了數百萬美元的資金。

　　在谷歌內部，他們將這一成就比作萊特兄弟飛機小鷹號首飛這項標誌航空業誕生的創舉。協助設計和製造美國梧桐晶片的谷歌量子硬體工程師東尼．梅格蘭特說：「有些人認為我們所做的事或隨後的步驟根本不可能成功。」其他人則半信半疑。當這項研究正式發表時，谷歌在量子競賽中的一些競爭對手（尤其是IBM）已開始懷疑美國梧桐晶片是否真像這家搜索巨頭聲稱的那樣領先於超級電腦「高峰」。他們認為，谷歌設定的任務過於狹窄和具體，以致無法視為量子霸權。

　　量子霸權是項巨大的科技成就，可能開啟了「量子時代」的新紀元。然而真正的競賽才剛揭開序幕。梅格蘭特說：「我們在這領域的硬體部分耕耘了十年，這場競賽的起跑點我總是將它設定在某個峰頂，如果你要參加，非得攀上峰頂不可。」

　　本書要說的就是這場賽跑的故事，同時探討量子電腦如何重塑金融、醫藥和政治領域，以及提升我們認識宇宙的諸多方式。不過我們要先從最基礎的入手。