十分鐘解釋量子計算

量子電腦根本就不是我們現今所使用的電腦的加強版，而是全然不同的東西。它以新興的科學理解為基礎，還有很多的不確定性。和 TED 研究員修西妮 · 葛霍斯一起進入量子仙境，了解這項科技何以有潛力為醫學帶來改變，創造出無法破解的加密，甚至「憑空」傳遞訊息。

咱們來玩個遊戲。

想像你在拉斯維加斯，

在一間賭場裡，

你決定在其中一台電腦上玩遊戲，

就像是玩紙牌或是下棋。

電腦也能移動遊戲中的棋子，
和人類玩家一樣。

這是一個硬幣遊戲。

一開始，有一枚正面朝上的硬幣，

開局後，電腦先玩。

它可以選擇是否拋擲這枚硬幣，

但你不會知道結果如何。

接著就輪到你。

你也可以選擇是否拋擲這枚硬幣，

你的對手，也就是電腦，
同樣不會知道這一輪的結果。

最後，又輪到電腦
選擇是否拋擲硬幣，

經過三輪遊戲之後，

硬幣的狀態被揭示出來，

如果是正面朝上，就是電腦贏，

如果是反面朝上，就是你贏。

這是個很簡單的遊戲，

如果大家都不作弊，
且硬幣也是均勻的，

那麽你就有 50% 的機會獲勝。

為了確認這一點，

我讓我的學生用我們的
電腦來玩這個遊戲，

在嘗試非常非常多次之後，

他們的勝率最後是
50% 或接近 50%，

和預期的一樣。

聽起來很無聊，對吧？

但如果你能用量子電腦
來玩這個遊戲，會怎樣？

拉斯維加斯的賭場可沒有量子電腦，

據我所知是這樣，

但 IBM 已經打造出了一台
能夠正常運轉的量子電腦。

就是它。

但是，量子電腦是什麼？

嗯，量子物理是在描述

原子和基本粒子的行為，

比如電子和光子。

所以，量子電腦的運作方式
在於控制這些粒子的行為，

但其做法和普通的電腦完全不同。

量子電腦並不只是

我們目前電腦的加強版，

就好像電燈泡並不是加強版的蠟燭。

無論如何，蠟燭也不可能變成電燈泡。

電燈泡使用了一種不同的技術，

它的基礎是更深入的科學理解。

同樣地，量子電腦也是一種新裝置，

以量子物理為根據，

就如同電燈泡改變了人類社會，

量子電腦也有潛力影響
我們生活的方方面面，

包括我們的安全需求、
我們的醫療保健，甚至網際網路。

全世界的公司都在打造這類裝置。

要想看看它有多讓人興奮，

咱們來用量子電腦玩這個遊戲。

我可以從這裡登入到
IBM 的量子電腦，

也就表示我可以從遠端玩這個遊戲，

你也可以做到。

為了讓你們參與進來，你們可能記得，

先前有收到 TED 寄的電子郵件，

信上請你選擇，
如果你在玩這個遊戲，

是否會選擇拋擲硬幣。

事實上，我們在信上
是請你選擇圓形或方形。

你當時並不知道，選擇圓形
就表示「擲硬幣」，

選擇方形就表示「不要擲」。

我們收到了 372 個人的回覆。

謝謝你們。

那就表示，我們可以用你們的選擇，

跟量子電腦玩 372 場遊戲。

這個遊戲一下就結束了，

所以我可以把結果呈現在這裡。

不幸的是，你們的戰績不太好。

（笑聲）

量子電腦幾乎全勝。

它輸了幾場，只是因為
電腦中的運算錯誤。

（笑聲）

所以，它是如何取得
這驚人的一連串勝利的？

它就像魔術或作弊一樣，

但事實上，它只是量子物理的運作。

它的運作方式如下。

普通電腦用一個位元來
模擬硬幣的正反面，

即 0 或是 1，

或記錄當前是否選擇拋擲硬幣，
儲存在你的電腦晶片中。

量子電腦則完全不同。

一個量子位元更具有
不固定性、非二進制的特質。

它能存在於量子疊加態當中，
即 0 和 1 的組合當中，

既有可能是 0，也有可能是 1。

換言之，它的真面目其實是一個範圍。

比如，它可能有 70% 的概率是 0，

30% 的概率是 1，

或 80% 與 20%， 60% 與 40%等。

存在無限的可能性。

這裡的關鍵在於，

我們得要捨棄「只存在固定的
0 和 1」 的思考方式，

允許不確定性存在。

在遊戲期間，

量子電腦會創造出正反兩面
（0 和 1）的不固定性組合，

所以，不論玩家選擇什麼，

不論擲或不擲硬幣，這種
量子疊加態並不會改變。

這有點像是在攪拌兩種液體。

不論你攪或不攪，
兩種液體都混合在一起。

但在它的最後一輪遊戲中，

量子電腦能分離出 0 和 1，

將硬幣完美地恢復成正面朝上，
所以你每次都會輸。

（笑聲）

如果你覺得這一切十分怪異，
那你一點兒也沒錯。

普通硬幣並不會以正面
和反面的組合形式存在。

我們在日常生活中並不會經歷

這種不固定的、量子化的現實。

所以，如果量子讓你困惑不解，

別擔心，你其實正在明白它。

（笑聲）

但是，雖然我們沒有
切身體驗量子的不可思議，

我們可以看到它產生了
非常真實的影響。

你們已經親眼看到資料了。

量子電腦會贏，

是因為它利用量子疊加態和不確定性，

這些量子特性非常強大，

不僅能幫你贏得硬幣遊戲，

也能用來建造未來的量子科技。

讓我舉三個例子，
說明那些有潛力的科技應用，

它們有可能改變我們的生活。

首先，量子不確定性
可用于私鑰加密，

將兩地之間傳輸的訊息進行加密，

因為量子不確定性，

駭客就無法偷偷地複製完整密鑰。

他們若想盜用密鑰，

就得打破量子物理的法則。

全世界的銀行和其他機構已經在測試

這種牢不可破的加密。

現今，全球使用了超過
170 億個接入網路的裝置。

想像一下，量子加密
在未來會有怎樣的影響。

第二，量子科技也能轉變
醫療保健和醫學。

比如，在藥物開發中，
設計和分析各種分子

是現今很具挑戰性的問題，

這是因為，要精確地描述和計算

分子中所有原子的全部量子特性，

是非常難以計算的，
即使對於超級電腦也同樣。

但量子電腦能做得更好，

因為它與它試圖模擬的分子一樣，

使用了相同的量子特性來進行計算，

因此，對於藥物開發，
未來的大規模量子模擬

也許可以為阿茲海默症
之類的疾病找到治療方式，

影響成千上萬的人。

第三，是我最喜愛的量子應用，

是將資訊從一個地點
即時傳遞到另一個地點，

但不需要實際傳遞。

聽起來很科幻，但這是有可能的，

因為量子粒子的這些不固定特質

在時間和空間中
可能會糾纏在一起，

以至於當你改變了
其中的某一個粒子，

就會同時影響到其他粒子的狀態，
這就成了量子通信的「通道」。

在研究實驗室裡已經展示它可行，

可能會成為未來量子
網際網路的一部分。

我們目前尚無這樣的網路，

但我的團隊正在努力實現它，

我們會在一台量子電腦上
模擬一個量子網路。

我們已經設計並實現了
一些有趣的、新的通訊協議，

比如在網路上不同
用戶之間傳輸訊息，

以及高效的文件傳輸，

甚至還有安全的選舉投票。

因此，我身為量子物理學家，
覺得這非常有意思。

我極力推薦它。

（笑聲）

我們有機會在量子仙境中當探險家。

誰知道接下來我們
會發現什麼新應用。

當我們打造量子未來時，

我們必須要謹慎且可靠地向前邁進。

對我個人來說，

我認為量子物理並不只是
用來打造量子電腦的工具。

我認為量子電腦能協助我們
探索大自然的謎題，

並更深入地揭示出我們
無法體驗的隱秘世界。

這是多麼不可思議，我們人類

對於宇宙的認識
和接觸是相對受限的，

我們卻單單靠著想像力和獨創性，

仍然能觀察到遠遠
高於我們眼界的地方。

而宇宙給我們的獎賞

就是讓我們看到它是
多麼有趣、讓人驚奇。

未來，本來就是不確定的，

但對我來說，我很確定，
它是讓人興奮的。

謝謝。

（掌聲）