什麼是量子運算？
量子電腦使用量子物理的特殊規則來執行計算，將新概念引入傳統程序設計方法。
讓我們看看量子運算與傳統運算有何不同，以及如何建置量子電腦。
量子運算的誕生
由於傳統電腦難以模擬量子系統，因此誕生出了量子電腦的構想。 在 1980 年代，Richard Feynman 和 Yuri Manin 各自表示，基於量子現象的硬體在模擬量子系統時，其效率可能會勝過傳統電腦。
有許多方式可以了解量子力學為何難以模擬。 要在量子層級看到該狀況，最簡單的方式是在大量可能的組態 (稱為量子態) 中。
量子運算會以指數方式成長
請設想一個有 $40$ 個可能位置的電子系統。 因此，該系統可能處於 $2^{40}$ 個組態中的任何一個 (因為每個位置都可能有或可能沒有電子)。 若要將電子的量子態儲存在傳統電腦的記憶體中，需要超過 $130$ GB 的記憶體! 如果我們允許粒子位於 $41$ 個位置中的任何一個，則會有 $2^{41}$ 個組態數的兩倍，進而需要超過 $260$ GB 的記憶體來儲存量子態。
這個增加位置數目的遊戲無法無限期地遊玩。 如果我們想要以傳統方式儲存狀態，我們很快就會超過世界上最強大的電腦的記憶體容量。 在幾百個電子時，要儲存系統所需的記憶體會超過宇宙中的粒子數目；因此，我們的傳統電腦完全不可能模擬其量子動力學。
將危機化為轉機
在看到這種指數增長後，我們心中不免會興起一個強大的念頭：我們是否能將這個危機化為轉機? 具體來說，如果量子動力學很難模擬，那麼如果我們建置將量子效應作為基礎運算的硬體，會發生什麼事？ 我們是否可以透過運用完全相同物理定律的機器，來模擬互動中粒子的量子系統？ 我們是否可以使用該機器來調查其他沒有量子粒子、卻對我們至關重要的工作? 這些問題成為了量子運算的起源。
1985 年時，David Deutsch 展示量子電腦可以有效率地模擬任何物理系統的行為。 這項發現是量子電腦可用來解決傳統電腦難以處理的問題的第一個指示。
1994 年時，Peter Shor 發現了一種可用於整數分解的量子演算法，其執行速度會以指數方式快過已知最好的傳統演算法。 由於其使求解整數分解成為可能，因此也能夠破解作為現今電子商務安全性基礎的眾多公開金鑰密碼編譯系統，包括 RSA 和橢圓曲線密碼編譯 (Elliptic Curve Cryptography)。 這項發現讓眾人對量子運算大感興趣，並發展出了可用於求解其他許多問題的量子演算法。
自那時起，許多艱難的傳統工作都發展出了快速、有效率的量子電腦演算法: 模擬化學、物理學和材料科學中的物理系統；搜尋未排序的資料庫；求解線性方程式系統；以及機器學習。
什麼是量子位元？
正如位元是傳統運算中的基礎資訊物件，Q 位元 (量子位元) 則是量子運算的基礎資訊物件。
量子位元是量子運算中的基本資訊單位。 量子位元在量子運算中扮演與位元在傳統運算中扮演的角色類似，但它們的行為不同。 傳統位元是二進位制，只能保有 $0$ 或 $1$ 的位置，但量子位元可以保有所有可能量子態的疊加。 此行為表示量子位元的狀態可以是 $0$、$1$ 或兩者的任何量子疊加。 $0$ 和 $1$ 有無限可能的疊加，且每個疊加都是有效的量子位元態。
在量子運算中，資訊會編碼在 $0$ 和 $1$ 狀態的疊加中。 例如，使用 $8$ 個位元時，我們可以編碼 $256$ 個不同的值，但我們必須選擇其中一個來加以編碼。 使用 $8$ 量子位元時，我們可以同時編碼 $256$ 值，因為量子位元可以處於所有可能狀態的疊加。
如何建置量子電腦
量子電腦是利用量子力學現象的電腦。 量子電腦會使用物質的量子態來儲存和計算資訊。 其可以將量子干擾「程式化」，以比傳統電腦更快或更好的方式執行工作。
在建置量子電腦時，我們需要思考如何建立量子位元，以及如何加以儲存。 我們也需要思考如何進行操作，以及如何讀取計算結果。
最常使用的量子位元技術是離子阱量子位元、超導量子位元和拓撲量子位元。 對於量子位元儲存的部分方法，儲存量子位元的單位會保持在接近絕對零度的溫度，以最大化其一致性並減少干擾。 其他裝載量子位元的類型則會使用真空室協助將震動降到最低，並讓量子位元保持穩定。 信號可以使用各種方法傳送至量子位元，包括微波、雷射和電壓。
量子電腦的五個準則
良好的量子電腦應具備下列五個功能：
- 可調整：其可以具有許多量子位元。
- 可初始化：其可以將量子位元設定為特定量子態 (通常是 $0$ 量子態)。
- 復原性：其可以讓量子位元長時間處於疊加態。
- 通用：量子電腦不需要執行每個可能的運算，只需要執行一組稱為通用集的運算。 一組通用量子運算可讓任何其他運算都分解成一連串的運算。
- 可靠：其可以精確地測量量子位元。
這五個準則通常被稱為量子運算的 DiVincenzo 準則。
建置符合這五個準則的裝置的工程挑戰，是人類有史以來最嚴苛的工程挑戰之一。 Microsoft 與世界各地最頂尖的數個量子電腦製造商合作，使您得以透過 Azure Quantum 存取最新的量子運算解決方案。