量子電腦是什麼？擅長什麼、不擅長什麼

生活中的例子：新聞裡的量子電腦

「超級電腦要花10的25次方年的計算，不到5分鐘就完成了。」2024年12月，Google發表新的量子晶片「Willow」，這樣的標題傳遍了全世界。在日本，富士通與理化學研究所也在2025年4月發表了256量子位元的機器。

現在的量子電腦放在研究機構等地方，研究人員和企業透過網路來使用。

原理1：位元與量子位元

一般的電腦用0和1的排列來表示資訊，這一位數叫做位元。在晶片中，位元是用電晶體這種開關的狀態等來表示。1個位元永遠只會是0或1其中之一。

在量子電腦中表示資訊的一位數，叫做量子位元。量子位元在量測之前，可以處於0和1各自帶有「權重」的狀態。這個權重可以是正的，也可以是負的。在物理學中，這個權重叫做「振幅」。它其實是一種叫做複數的數，這裡為了簡單，只用正數和負數來說明。

量測量子位元時，結果一定是0或1其中一個。出現哪一個由機率決定，權重乘以自己（平方）的值，就是該結果出現的機率。例如0的權重是0.8、1的權重是−0.6，那麼0出現的機率是64%，1是36%。量測之後，量子位元會變成所得結果的狀態。

像這樣在0和1兩邊都帶有權重的狀態，叫做疊加。有時會說成「既是0也是1」，但這樣說還不夠。重要的是，權重有正也有負。這就連到下一節要說明的「互相抵消」。

原理2：讓權重互相抵消，凸顯正確答案

使用2個量子位元，00、01、10、11這4種組合各自帶有權重。3個是8種，10個是1,024種，每多1個就變成2倍。50個時會超過1,000兆種。若想用一般電腦把這些權重全部記下來，記憶體很快就不夠了。

不過，量測能取出的，只有與量子位元數量相同長度的一串0和1。如果只是隨便量測，就和抽籤選出一個候選答案沒有兩樣。

因此，量子電腦在量測之前，會依序加上改變權重的操作。這種操作叫做量子邏輯閘。操作疊加下去，通往同一結果的權重就會相加。同號就互相加強，一正一負就互相抵消。在物理學中，這叫做干涉。

量子電腦的計算步驟（演算法），是設計成讓錯誤答案的權重互相抵消、正確答案的權重互相加強。這樣在最後量測時，正確答案就會以很高的機率出現。不過，目前只在具有特殊結構的部分問題上，找到了這樣的設計方法。

原理3：量子糾纏：分隔遙遠，結果也一致

可以讓2個量子位元處於這樣的狀態：量測後，「兩個都是0」或「兩個都是1」各以一半的機率出現。單看其中1個，是0還是1完全隨機，但2個的結果一定一致。像這樣量子位元之間的結果連結在一起的狀態，叫做量子糾纏。

即使把2個量子位元分隔得很遠，這種連結也會保持。但是，無法利用量子糾纏以比光更快的速度傳送資訊。因為量測其中一個的人，只會看到隨機的0或1。要用一般的通訊比對結果，才會知道兩者一致。

不過，如果只是結果一致，用一般的方法也做得到。量子糾纏是更強的連結：即使改變量測的方式，結果仍然連結在一起（細節在此省略）。

預期擅長的事

計算分子和材料的性質

分子中的電子遵循量子力學運動。若要用一般電腦精確計算，需要處理的數量會隨電子數急速增加。因此，物理學家費曼在1982年的論文中提議：「用遵循量子力學的機器來模擬自然就好了。」它有望應用在藥物、電池材料、觸媒等研究上。

微軟等機構的研究人員在2023年的論文中也指出，最有希望的是化學和材料的問題。不過到2026年為止，在有用的問題上明確勝過一般電腦最佳方法的例子，還沒有確立。

大數的質因數分解

把大的數分解成質數相乘（質因數分解），一般電腦要花非常久的時間。1994年，彼得·秀爾（Peter Shor）發表了量子電腦能快速解出這個問題的步驟。這叫做Shor 演算法（秀爾演算法），對密碼有很大的影響（後面說明）。

搜尋：只加速到平方根的程度

使用Grover（格羅弗）在1996年發表的步驟，從沒有線索的資料中找出目標的次數會減少。若有100萬筆，一般平均要查50萬次，這個方法約800次就夠了。次數會降到「筆數的平方根」的程度。

但是，量子電腦每一次操作都慢得多，更正錯誤也很費工夫。前面提到的2023年論文指出，這種程度的加速，很難在實用問題上勝出。也有人期待用於配送路線等「最佳化」問題，但到2026年為止，確切的證據仍然很少。

不擅長的事：無法取代個人電腦

上網、播放影片、寫文件，這些工作並不是靠互相抵消來凸顯答案的形式。每次操作都慢、錯誤又多的量子電腦，在這些工作上比不過一般電腦。

它也不擅長讀入大量資料，或取出很多結果。因為量測1次，只能取出一串0和1。所以一般認為，量子電腦適合輸入很小、計算卻非常繁重的問題。

為什麼難以製造

權重非常脆弱

量子位元的權重，會受到周圍的熱、微弱的電波和振動影響而逐漸被打亂，變得無法用於互相抵消。這個現象叫做退相干。Google的Willow中，量子位元能保持能量的時間大約平均68微秒，還不到萬分之一秒。

因此，使用「超導」（冷卻後電阻變成零的現象）的方式，要把晶片冷卻到極低溫。Google在2019年發表的晶片，是用一種叫稀釋冷凍機的裝置，冷卻到20毫克耳文以下。這只比無法再降低的溫度（絕對零度，−273.15 °C）高0.02度。

操作的錯誤很多

在Willow中，使用2個量子位元的操作，平均錯誤率是0.33%，約300次有1次。以這個比例連續進行1,000次操作，途中發生錯誤的機率約為96%。

錯誤更正與邏輯量子位元

一般的資料只要複製幾份再多數決，就能更正錯誤。但是，量子位元的狀態無法原封不動地複製。所以要把1份資訊分散給許多量子位元，只量測「哪裡出錯了」的線索來更正。這叫做量子錯誤更正。

受錯誤更正保護的1個單位叫做「邏輯量子位元」，組成它的每一個叫做「物理量子位元」。只有當物理量子位元的錯誤低於某個界線（閾值）時，錯誤更正才會隨量子位元增加而越有效。

2024年12月，Google在科學期刊Nature發表論文，指出Willow已低於這個界線。把邏輯量子位元分3級加大，每大一級，錯誤約減半（降為2.14分之1）。最大的一級使用了101個物理量子位元，保存資訊的時間約為最長壽物理量子位元的2.4倍。

不過，這個實驗展示的只是保存資訊的「記憶」部分。要一邊更正錯誤一邊做有用的計算，需要更多量子位元和更少的錯誤。IBM在2025年6月發表了公司的計畫：要在2029年前做出具有200個邏輯量子位元的機器。

製作量子位元的各種方式

製作量子位元的主要方式有以下5種。到2026年為止，哪一種最有利還沒有定論。

• 超導：用與半導體相似的方法，在晶片上做出超導金屬的微小電路。Google、IBM、富士通與理化學研究所等採用這種方式，需要極低溫。
• 離子阱：讓帶電的原子（離子）懸浮在真空中，用雷射操作。錯誤少，但操作偏慢。
• 中性原子：用雷射光做成的「鑷子」，把不帶電的原子排列起來。這種方式容易增加數量。
• 光：使用光的粒子（光子）。可以運用光通訊的技術，但要讓光子之間互相作用很困難。
• 自旋：利用關在矽等材料中的1個電子的性質（自旋）。預期可以運用半導體工廠的技術。

對密碼的影響

在網路上購物時，瀏覽器和網站會用密碼技術保護通訊（「HTTPS是什麼？」）。在一開始準備祕密金鑰等場合，會使用一種叫做公開金鑰加密的密碼。其中具代表性的RSA加密和橢圓曲線密碼，會被Shor 演算法破解。

不過，這需要經過錯誤更正的大規模機器。Google的研究人員在2025年提出破解2048位元RSA加密的估計：物理量子位元不到100萬個，時間不到1週。和2019年的估計（約2,000萬個、8小時）相比，時間變長，但數量大幅減少。2026年時的裝置，無論數量還是錯誤之少，都還達不到。

即使如此，對策仍然很急迫，因為可能有「現在先收集密文，將來再解密」的攻擊。需要保密幾十年的資訊，必須從現在就改變保護方式。

美國國家標準暨技術研究院（NIST）在2024年8月公布了3項新的密碼標準。這些密碼被認為連量子電腦也難以破解，稱為後量子密碼（FIPS 203、204、205）。NIST在同年11月的草案中，提出了在2035年前停止使用RSA加密等的計畫。

另一方面，對於對稱式加密和猜測密碼，量子電腦只有Grover 演算法平方根程度的加速有效。一般認為把金鑰加長就能應對。目前密碼被破解的主要原因，是容易被猜中或重複使用（「密碼為什麼會被破解？」）。

如何解讀新聞

「量子霸權」「量子優勢」的主張

用量子電腦解出一般電腦無法在合理時間內解出的計算，稱為「量子霸權」或「量子優勢」。2019年，Google發表用53量子位元的晶片，約200秒就完成了超級電腦要花1萬年的計算。IBM的研究人員隨即以「改良方法只要2.5天」的估計提出反駁。2022年，也有論文用512個GPU約15小時就解出了。

一般電腦的方法改良後，差距就會縮小。而且，用來比較的是對量子電腦有利的問題，本身沒有實用目的。開頭Willow的「10的25次方年」，也是Google針對這類問題的估計。2025年10月的「比超級電腦快約13,000倍」，同樣是Google的估計。公司說明這是邁向實用的一步。

不要只用量子位元的數量來比較

IBM在2023年12月，同時發表了1,121量子位元的Condor和133量子位元的Heron。IBM著重說明的，是錯誤較少的Heron。量子位元再多，錯誤多的話就無法進行長時間的計算。

看到新聞時，請確認以下3點：解的是什麼問題？比較的對象，是一般電腦的最佳方法嗎？有沒有寫出錯誤率或邏輯量子位元的數量？

從數字來看

100萬個約是Willow的105個的1萬倍。而且這個估計的前提是操作錯誤率0.1%，比Willow的0.33%更低。

常見的誤解

進一步學習

• 用表格比較方式：「超導量子位元與離子阱量子位元的差異」
• 用表格比較密碼：「RSA加密、橢圓曲線密碼、後量子密碼的差異」
• 量子位元的用語：Transmon 量子位元、表面碼（Willow的錯誤更正方式）、NISQ
• 密碼的用語：RSA加密、ML-KEM（後量子密碼的標準之一）
• 在一般晶片中發揮作用的量子力學：「穿隧效應是什麼？」