量子電腦的概念為透過量子力學的應用，提高微處理器的速度，將電晶體壓縮到原子般的體積大小，以在極小的面積內於入數十億顆的電晶體，讓資料以近光速的速度傳輸。因此，利用量子狀態來進行資訊處理的電股設備，就稱為量子電腦。

英        文： Quantum Computer 
台        灣： 量子電腦 
大        陸： 量子計算機   
修訂時間： 2000/4/6  

量子電腦的概念是，透過量子力學的應用，加快微處理器的速度，希望將電晶體壓縮到原子般大小，然後在極小的面積中放入數十億顆電晶體，進而讓資料在傳送時能以接近光速的速度進行。簡單的說，利用量子狀態來進行資訊處理的實體裝置，稱之為量子電腦。1980年代初期，科學家認為，量子電腦原則上是可行的。目前量子電腦已進入實驗階段。

一、從計算方式看量子電腦與傳統電腦：
在一般電腦裡，我們利用電位的高低代表0(不帶電)、1(帶電)，組成各種資訊。但在量子電腦中，則利用原子的能階代表資訊的0與1，我們以氫原子的基態表示0(|0>)，激發態表示1(|1>)。而1個位元的量子資訊(量子位元)就稱為qubit。它可以是2個狀態的線性組合，代表該位元在某一瞬間的狀態。這種狀態，物理學上稱為同調態(co-herent states)。因此，一串氫原子就可以組成各種資訊。

量子電腦的|0>和|1>在任何時候都同時存在，只是比例不同而已，從起始值開始，它就同時代表了所有可能的狀態，所以能夠一次計算所有可能狀況，這就是量子平行處理(quantum parallelism)。這樣強大的運算能力是傳統電腦所不及的。

舉例來說，在相同位元數下，量子電腦的執行速度是目前電腦的2的N次方，而其大量計算的能力也遠遠超過現有的電腦，因為量子電腦可以做因數分解，而這是傳統電腦所做不到的。若利用現行的Pentium Ⅲ來分解一個長度1000位的質數，將要花上250億年，但是量子電腦只需要極短的時間就可以做到。

二、從量子邏輯閘與布林邏輯閘比較傳統電腦與量子電腦：
量子電腦的電子裝置波動行為是以量子邏輯閘為主，而傳統電腦是布林邏輯閘。兩者的差異在於量子凝聚性疊置(quantum parallelism)。所謂量子凝聚性疊置，是藉由制端脈波寬度的方式，兩種電磁波可以進行疊置。這是因為研究人員觀察電子裝置的波動行為，證實代表2種電子狀態(電中性狀態的電磁波，以及擁有2個電子之帶電狀態的電磁波)的2種波形可以互相重疊。

要實現量子電腦，技術上必須利用固態元件來建造qubit處理器，也就是採用固態的積體電路 (circuit, integrated(IC)) ，才能使閘極的配置隨意進行設計。所以，未來在建造量子電腦時，可以直接利用現有的半導體製造技術。
 

量子計算機，早先由理察· 費曼提出，一開始是從物理現象的模擬而來的。可發現當模擬量子現象時，因為龐大的希爾伯特空間而資料量也變得龐大。一個完好的模擬所需的運算時間則變得相當可觀，甚至是不切實際的天文數字。理察· 費曼當時就想到如果用量子系統所構成的計算機來模擬量子現象則運算時間可大幅度減少，從而量子計算機的概念誕生。

量子計算機，或推而廣之——量子資訊科學，在1980年代多處於理論推導等等紙上談兵狀態。一直到1994年彼得· 秀爾（Peter Shor）提出量子質因數分解演算法後，因其對於現在通行於銀行及網路等處的RSA加密演算法可以破解而構成威脅之後，量子計算機變成了熱門的話題，除了理論之外，也有不少學者著力於利用各種量子系統來實現量子計算機。

半導體靠控制積體電路來記錄及運算資訊，量子電腦則希望控制原子或小分子的狀態，記錄和運算資訊。
1994年，貝爾實驗室的專家彼得· 修爾（Peter Shor）證明量子電腦能做出對數運算，而且速度遠勝傳統電腦。這是因為量子不像半導體只能記錄0與1，可以同時表示多種狀態。如果把半導體比成單一樂器，量子電腦就像交響樂團，一次運算可以處理多種不同狀況，因此，一個40位元的量子電腦，就能解開1024位元電腦花上數十年解決的問題。

        有朝一日，量子電腦真的能成為事實，除了速度快以外，它還能做到許多當前電腦做不到的事。目前，量子電腦已經由「史前時代」進入了「實驗時代」了，人們在找尋更多適用於量子電腦的計算法則，以能充分發揮量子電腦的功效。雖然，我們還不知道量子電腦的研究何時才會變成工程問題，但是，目前的成就已足使每個人振奮了。

　　讀過費因曼(R. P. Feynman) 的故事的人都知道，他也曾應聘至某電腦公司去設計電腦。物理學家，怎麼也設計起電腦來了？原來，當電腦越作越小，速度越來越快，量子力學的效應就不能不考慮了。五十年來、幾乎每隔兩年，電腦的速度就加快了一倍。大家可以想想，身邊的個人電腦。從十幾年前的蘋果二號電腦，到現在的586 就是一個例子。但是，這個趨勢會繼續下去嗎？總有一天，路會走到盡頭。無論如何快，訊號傳遞的速度不會快於光速。無論積體電路做得如何小，總不會小過原子。當這一天來臨時，怎麼辦？這個世界將變成什樣子？

　　其實，幾十年前 IBM 公司的 R.Landauer 及 C. H. Bennett 就已經在考慮這個問題了。他們要問的問題是；到底電路元件，最小可以做到多小？計算過程中，最少要花多少能量？電腦，無論如何也該遵守物理定律。例如，熱力學就告訴我們：一個引擎的效率有一定的極限。那麼，對於量子電腦，是否也有某些物理極限存在呢？

　　80年代初期， P. Benioff 告訴我們，原則上量子電腦是可行的。後來有英國的 D. Deutsch 及美國、以色列等的其它一些人，也做過一些研究。不過 80 年代中期，這股熱潮卻又衰退了。主要原因是：他們研究的量子電腦，「非常的抽象」；討論的問題總是，例如，貝爾不等式、多世詮釋 (many-worlds interpretation) 、EPR 悖論‧‧‧等等。而且跡象顯示，量子電腦很容易出錯，確不容易修正。不過費因曼卻認為，量子電腦，仍有研究的價值，可能可以用來模擬其它的量子系統。但是，它能以更高的速度解其它的數學問嗎？

　　過去三年來，情況有所改觀 1993 年 S. Lloyd 找到了一堆可以作為量子電腦的系統。 P. W. Shor 更告訴我們：量子電腦可以做因數分解；一個傳統電腦中重要卻又困難的問題。而且它計算所需的時間，只與該數的對數成多項式關係；這是傳統電腦所作不到的。這個結果令人振奮。大家討論的重點已經實際到，例如，H. F. Chau 及F. Wilczek 討論如何設計邏輯元件[1]及 B. Schumacher 討論量子編碼及資料壓縮、傳輸之類的了。[2]

　　研究人員將專門設計的多個分子放在試管內作為7個量子bit的量子電腦進行運行。通過對目前廣泛運用的數學問題進行單純求解並得到了準確的結果。這些數學問題在數據安全加密系統中起著重要作用。

　　具體試驗過程為：將5個氟原子與2個炭原子合成為有7個原子核的新分子，通過高頻脈衝使之成為可程式的量子bit。這種量子bit的資訊可應用類似醫院或化學實驗室中通常使用的核磁共振（NMR）的原理檢測出來。IBM的科學家在試管內控制10的18次方個這樣的分子，進行“紹氏演算法”（Shor's Algorithm）運算，結果準確地確認出整數15的因數為“3”和“5”。

　　量子電腦是根據原子或原子核所具有的量子學特性來工作。根據這一特性，使原子或原子核作為量子bit來工作，從而實現電腦的運算與存儲功能。量子電腦的量子比特可以在不受外部環境影響的狀態下，通過量子間的相互作用來進行類似因式分解那樣的特定運算，其運算速度與傳統電腦相比呈指數倍提高。

　　在對大整數進行素數因式分解時，整數每增加1位（1比特），傳統型電腦的因式分解計算時間就增加1倍，而在量子電腦上只要增加固定時間就行了。在量子電腦上運行“紹氏演算法”中最簡單而且有實際意義的就是求15的因數，所以需要7個量子bit的量子電腦。這種演算法是1994年美國AT&T公司科學家Peter Shor為使用未來量子電腦進行因數計算而研製的。未來電腦面對龐大數字的因式分解很容易進行驗證，而在實際求因數的處理中則需要天文數字般的時間，很難得到實際答案，所以量子電腦將能夠應用於加密技術中的數據保護。

　　【日經BP社報導】 加拿大D-Wave Systems對外公佈了量子電腦開發藍圖。該公司是一家風險企業，曾于2007年2月13日在美國矽谷介紹電腦開發史的博物館“Computer History Museum”發表了“成功開發出使用16個量子位（qubit）、可用於商業用途的量子電腦”的消息。此次公開了D-Wave在該博物館對部分人士所作的演講內容。

　　開發藍圖中顯示，今後將繼續增加系統的量子位數，到2007年底增至32qubit，到2008年第2季度增至512qubit，到2008年第3季度增至1024qubit。在此基礎上，2008年第1季度將開始提供可在線使用量子電腦的服務，2008年第2季度開發面向企業的量子電腦系統。

　　“以前的量子電腦存在著不容易增加量子位數的問題，而在我們的Adiabatic Quantum Computing方式下，量子位數沒有限制”（D-Wave首席執行官Herb Martin）。該公司首席技術官（CTO）Geordie Rose在談及半導體集成度每過18個月就翻一番的摩爾定律時宣稱，“我們也將以一定的時間間隔使量子位數翻番”。（記者：野澤 哲生）

編輯 John C. H. Chen 報導
以目前最快速的電腦而言，大概要花上相當於一個宇宙年紀的時間才能求出一個四百位數字的所有因數。量子電腦在這方面的速度可以快上十億倍。目前可能的量子計算方式包括使用原子核的自旋或是使用超導量子迴圈。現在有人提出了第三種方法，使用半導體線和電子。

在義大利的 Modeno大學，一個由Carlo Jacoboni所領導的研究群提出了用一對半導體材質的"資料線"和"控制線"來組成一組量子的邏輯閘，也就是量子電腦的基本元件。這個邏輯閘的的輸入是使資料電子留在原來的資料線或是或是交換到其他的線上。

兩組資料線可以被視為是兩組平行而中間具有一個位能障做為分隔的通路。除了一些稱為"窗口"的部分，大部分的位能障高度會阻止電子穿隧到另一條資料線上。但是在適當的時機沿著控制線加入一個電子，此時因為控制與資料電子間的互相作用可以使得資料電子穿過"窗口"，也就是交換到另外一條資料線上。

A Shortcut Through Time: A Path to the Quantum Computer

　　驅動個人電腦的最新Pentium晶片，將四千萬顆電子切換器包裹在只有拇指大小的矽片上，比之前的任何東西都來得小，也更具威力。如果這種趨勢持續進行，必然的，高潮就是電腦內的每一個切換器都是由單一原子所構成，到那時量子機器將會奇蹟似的實現。

　　如果原子可以被控制，整個社會將會改觀：現今超級電腦以無止盡時間解決的問題便會很快得到改善，量子計算所能達到的境界，絕對比一條穿越時間的捷徑更令人驚訝。

　　從原始的電腦到量子電腦，《紐約時報》作家喬治‧約翰遜首次帶領我們遊覽這趟不可思議的科技旅程。藉此，我們得以窺見一場革命的開始，掌握趨勢先機！

作者簡介：
　　喬治‧約翰遜（George Johnson）
　　美國《紐約時報》科學作家，曾獲美國科學促進協會頒發的科學新聞獎，並曾入圍知名的隆．普蘭克獎（Rhone-Poulenc Prize）。
　　著有《奇異美》（Strange Beauty）、《心靈之火》（Fire in the Mind）和《記憶宮殿之內》（In the Palaces of Memory）等書。

譯者簡介：
　　曾耀寰
　　國立中央大學物理與天文研究所博士，曾任台灣大學物理系博士後研究員、交通大學兼任助理教授，現任中研院天文及天文物理研究所研究助技師。