# 量子計算

電腦所產生的假隨機數列看起來是雜亂的,但它仍是靠某種潛在的演算法計算出來,若知道序列產生的方式,就可以預測它,而它就不再是隨機.而唯一真正達到不可預測效果的,就是量子力學(quantum mechanics).它所產生的效應是隨機性的, Ex.我們無法預測某個鈾原子經過多久會蛻變成鉛.因此我們可以用蓋格計數器(Geiger counter)產生真正隨機的資料,這是通用電腦在原理上所無法辦到的.

量子力學在通用電腦這個議題上引發了一些尚無人能解的問題.初步看來,量子力學似乎和數位電腦非常契合,因為[量子]這個字眼所要表達的基本概念與[數位]是一致的.量子現象和數位的東西一樣,只存在於不連續的狀態中.從量子的觀點來看,物理世界中(外觀上)的連續,類比性質,只限於巨觀尺度下,肉眼所產生的幻覺,但在原子這樣的小尺度中卻不然.在原子的尺度中,幾乎所有的東西都是不連續的,所有現象都是數位的,帶電粒子可以帶數個電子,但無法帶半個電子.不幸的是,主控粒子間交互作用的法則是無法憑直覺得知. Ex.正常情況下,一樣東西無法同時存在於兩個地方,但在量子力學的世界裡卻非如此,因為在量子力學中根本沒有任何東西有其確定位置.一個次原子粒子其實是同時存在於所有地方的,只是我們比較可能會在某個地方觀測到它罷了.一搬來說,我們可以認定某個粒子就在我們所觀測的位置上,但綜合了觀測到的現象,令我們不得不承認它是同時存在於不同地方的.包括物理學家在內,幾乎所有人都覺得這概念難以理解.

目前尚未確認是否可以利用量子效應建構一部強大的電腦,但卻是可能的.原子似乎擅長計算一些特定的問題,如它們的結合方式,這在傳統電腦上很難計算, Ex.當2個氫原子和1個氧原子結合時,這些原子本身以某種方式計算出2個結合鍵之間的角度為107度,我們可以利用量子力學的觀念在數位電腦上算出近似值,但所花的時間會很長,而要得到精確的結果更是費日費時,但一杯水中的每個分子都在一瞬間完成這樣的計算.

電腦之所以要花這麼多時間計算這個量子力學的問題,是因為它必須考慮無限多種可能的水分子型態,才能得到答案.由於原子在組成分子時,可能立刻形成各種不同的組態,所以這樣的計算是必要的,這也就是為什麼數位電腦在有限的時間內只能得到近似值.若要解釋水分子何以能進行這樣的運算,我們想像它是同時嘗試所有可能的組態,就是利用平行處理(parallel processing).

也許可以利用量子中所謂的纏結(entanglement)現象來建構量子電腦.在量子力學系統中,兩個粒子交互作用之後,它們的命運會以某種方式結合在一起,與古典力學看到的截然不同,也就是當我們測量其中一者的某項特性時,也會對另一者的該項特性產生影響,即使兩個粒子實際上並未接觸.愛因斯坦稱這種在時間上沒有任何延遲的現象為超距幽靈效應(spooky action at a distance),他非常不認同世界會以這種方式運作.

量子電腦正是利用這種纏結效應-一個一位元量子暫存器不只能儲存一個0或1,而是可以儲存非常多的0和1,就好像原子可以存在許多地方一樣,一個位元也可以同時有許多狀態(0或1).不是處在0或1之間,因為每個疊置得0和1可以再量子電腦中與其他位元糾結在一起.若以兩個這種量子位元組合成一個量子邏輯區組,則它們的所有疊置狀態可以用不同的方式互動,產生更複雜的纏結組合,而一個利用量子邏輯區組完成的計算量非常龐大,甚至可能到無限多.

量子計算背後的理論已金建立了,但要真正實用仍有些困難.物理學家蕭爾(Peter Shor)最近發現一個利用這些量子效應的方法,至少,在理論上用它來計算因式分解這類重要且困難的計算,而他的成果也使量子電腦重新燃起一片生機,但眼前還有許多難題要去克服.其中一個問題在於,量子電腦中位元在運作時必須保持有秩序的糾結在一起,才能進行計算,然而即使是最細微的干擾,如宇宙射線或甚值處於真空中,都可能破壞纏結狀態.這種現象稱為脫散(decoherence),在量子電腦中,它等於阿契里斯的腳踝.蕭爾所提出的方法似乎僅限於可以利用一般化傅立葉轉換(generalized Fourier transform)這個快速運算方法求值的計算.而這類的問題可能在一般的杜林機就可以輕易的計算出來,若是這樣的話,蕭爾的量子計算只相當於傳統電腦中的某些程式.

若量子電腦可以同時在無限多個可能做搜尋,則它的本質就勝過傳統的計算設備.