量子電腦為何比傳統電腦強大？量子運算的發展又有哪些挑戰呢？

一般專家普遍認為，化學將是量子運算最強且最立即的應用9。

量子電腦將可以用來幫助設計乾淨能源所需要的催化劑，了解生物體內的酵素，發現新的太陽能電池材料或高溫超導體 ... 0 10 6 文字 分享 友善列印 繁| 简 0 10 6 科學傳播 科技能源 透視科學 電腦資訊 量子電腦為何比傳統電腦強大？量子運算的發展又有哪些挑戰呢？ ResearchPortal（科技政策觀點） ・2018/04/27 ・6199字 ・閱讀時間約12分鐘 ・SR值587 ・九年級 ＋追蹤 相關標籤： QuantumBit(1) QuantumComputer(1) QuantumComputing(1) QuantumSuperposition(1) 前瞻研究(2) 量子位元(3) 量子疊加(1) 量子糾纏(7) 量子運算(1) 量子電腦(12) 熱門標籤： 量子力學(46) CT值(8) 後遺症(3) 快篩(7) 時間(37) 宇宙(81) 國小高年級科普文，素養閱讀就從今天就開始!! 文／林明宜│ 國家實驗研究院科技政策與資訊中心助理研究員，研究領域為神經科學、醫學工程及前瞻技術趨勢分析 量子電腦挾著其強大運算速度和能力的潛能，使得全球科學界和產業界（Google,IBM,Microsoft,Intel等）競相投入7。

雖然目前仍在理論實踐和可操作原型發展階段，近年的技術突破似乎使得每年都「即將成功」的量子電腦真正更接近商業化應用。

在今日知識經濟和全球化競爭的時代，運算能力即是國家和企業的競爭力，因此量子電腦在近年頻頻被各國視為重點發展技術，許多科技趨勢報告也將其列為年度突破111213。

國研院科政中心之前已經對各國的量子技術發展策略和台灣的研發現況撰寫專文討論（編按：參見英國量子技術發展戰略、第二次量子革命啟動）。

本文將更新近期技術發展趨勢和討論量子電腦未來對社會可能造成的衝擊。

圖／TheDigitalArtist@Pixabay 什麼是「量子運算」？從基本原理談起 量子位元（qubit）是量子電腦最基本的運算單元，為了使量子位元能夠被運用，量子必須達到量子疊加（quantumsuperposition）和量子糾纏狀態（quantumentanglement）：即單一量子須同時處於兩種物理狀態，且兩個量子間需形成聯結，使得兩個量子即使不處於同一個空間，卻可以即時互相影響，才能做為量子運算基本單元17。

量子可以是電子、離子或光子，只要能夠達到疊加和糾纏狀態就可以做為量子位元，量子位元的讀寫可透過微波、磁脈衝或雷射。

目前主流的五種量子運算方式有矽自旋量子、離子阱、超導迴路、鑽石空位和拓樸量子。

量子疊加可以用丟擲硬幣比喻：硬幣可為頭像（1）或反面（0）就如同傳統的位元，將硬幣擲到空中轉動時，硬幣不停在頭像和反面轉換，在空中旋轉時就像是同時為1和0，只有真正落下後才知道最後落在那一面。

以電子做為量子為例，電子自旋向下時能量最低為0，可利用特定頻率的微波脈衝加熱電子，使電子獲得能量後自旋向上，寫為1，若將量子置於矽晶體電極中，就可以量測到電流獲知量子的狀態。

圖／jarmoluk@Pixabay 那麼又如何達成量子糾纏狀態？若以光子為例，科學家可以用雷射產生大量光子射入兩層超薄，相性相反的非線性晶體，當光子通過非線性晶體時，偶爾會產生成對的光子，由於兩層晶體相位相反，產生的光子極性相反，可能為垂直或是水平，又因為晶體極薄，光子的相位是垂直或水平，只有在量測時可以得知，而且這對光子的相位一個若為垂直，另一個就必為水平，反之亦然，此時這對光子的狀態就稱為量子糾纏狀態。

量子糾纏示意圖　圖／作者提供 由於量子位元的疊加和糾纏特性，使得量子位元可以不像傳統電腦位元只能為0或1，而是能夠同時為0和1，此特性使量子位元的運算能力增加，量子電腦得以進行大量資料的平行運算。

量子電腦為何比傳統電腦強大？ 如前所述，量子電腦不像傳統電腦，運算步驟被位元數限制。

如果想找出4位元（可為0或1）組合中某一組數字，傳統電腦最多需要嘗試到16次，平均需要嘗試8次；如果想找出20位元組合的其中一組數字，最多需要嘗試到約一百萬次運算步驟。

由此可知傳統電腦在解決這類問題時，嘗試的次數和所欲搜尋的數字可能組數呈線性關係，當所運算的可能性呈指數成長時，即使是超級電腦，所需要的運算時間將長到無法實際用來解決問題。

量子運算由於其特殊的量子特性，在上述的4位元組合數字問題，量子運算可以在4次運算後直接得到16種可能情形中的解答，在1000次運算後即可找出20位元組合，一百萬個可能的其中一組特定數字，運算次數只需可能情形總數的平方根，滿足指數型的複雜運算需求。

要發展量子運算，還有哪些技術挑戰？ （一）穩定量子態的維持 細緻的量子態十分容易受到振動或電磁場，甚至一般熱擾動的干擾，所以現在的量子電腦需要在接近絕對零度的超低溫度操作8。

目前主要的技術瓶頸除了增加量子位元數之外，就是如何維持穩定量子態，使量子維持在某個量子態時間（相干時間，coherencetime）夠長，足以完成運算工作並增加運算正確率。

其中微軟的研究團隊正嘗試操縱2012年才被發現的「準粒子」，用編辮子糾結方式，使量子位元可以抵抗外界干擾，讓量子位元和繩結一樣穩定，如此一來，量子電腦的運算能力就不用再被大量浪費在更正錯誤上17。

（二）量子位元的可擴充性 另一個使量子電腦能夠進入實際應用的關鍵，是量子位元的可擴充性，現行主流量子運算技術之一的矽自旋量子，就是由於可以利用已經十分成熟的半導體技術，具有和現行電腦相容性，且被認為未來容易向上擴充，而吸引英特爾和其他研究人員投入研發。

普林斯頓大學的實驗室近期在矽量子元件上有關鍵性的技術突破15，製造出能夠準確控制兩個電子之間量子行為，以矽為材料的元件，且錯誤率極低。

這個突破性的量子位元邏輯閘，由高度有序排列的矽晶體構成，晶體上布有數十奈米的氧化鋁線，用來遞送電壓，將兩個被能階隔開的電子困在特定的量子點，再利用短暫的降低能階隔閡，使兩個電子能夠互相交換資訊，達到量子糾纏狀態。

這項研究是第一次在矽材料中成功達到量子糾纏。

研究人員可以利用磁場控制量子位元行為，目前控制電子量子態穩定度達99%，而邏輯閘的可靠度達到75%，這項技術除了具有可擴充性，錯誤率在未來還可能再下降。

（三）量子軟體研發 除此之外，為了使量子電腦真正發揮效能，專家們認為應該同步開發量子軟體20。

量子運算程式的複雜度和難度源於量子電腦的本質，運算時將帶有一定程度的雜訊，所以程式設計時必需將量子電腦的物理原理和位元限制納入考量，需要先預建雜訊模擬模型，以處理操作正確性的問題。

而早期發展出的量子電腦由於運算硬體設計尚未統一，將具有不同性質的細微差別，軟體需要一定程度的客製化。

運算的高複雜度也將帶動新的演算法和開發工具的需求，量子電腦軟體設計人員需具備深厚的物理、數學和軟體工程知識，跨領域、對各領域有深度知識的人才培育將會是軟體研發的關鍵，同時許多量子軟體都有開源式社群開發平台，以群策群力結合資源加速早期軟體開發速度。

量子電腦發展現況 IBM官方釋出的量子電腦研究室（IBMQcomputationcenter）介紹影片 目前最早實際被投入應用的量子電腦由5個量子位元構成，由IBM研發，採用的是超導迴路技術，IBM並在2017年底開始提供20位元的商業化雲端量子運算服務16。

而50個量子位元是一個深具意義的里程碑，這代表著超越現有任何超級電腦可以達到的運算能力，象徵量子優越（quantumsupremacy）時代的來臨，目前IBM已十分接近這個目標，建造出50量子位元的原型機4，Google的團隊也緊追在後，2017年11月的自然期刊中，麻省理工學院、哈佛、加州理工學院的合作團隊和馬里蘭大學的量子運算中心也分別用不同的技術達到50個量子位元的運算系統14；大陸在2017年底宣布將投資一百億美元成立新的量子電腦中心，預計在2020年開始運作5，日本也加入國際量子競賽，宣布免費提供量子類神經網路服務，並將投資2億6千7百萬美元，在2018年開始十年量子研發計畫18。

雖然由於量子電腦特性，無法儲存資訊和運算結果，加上體積和所需要的硬體維護人員及費用高昂，在可見的未來都將與傳統電腦結合透過雲端提供運算服務，現在的量子電腦確實已經即將從實驗室步入實際應用，預備顛覆創新材料製造、化學製藥、人工智慧、網路安全和金融科技的領域。

量子電腦未來普及，將對社會帶來哪些改變與衝擊？ （一）量子電腦和人工智慧的結合 圖／geralt@Pixabay 量子電腦的強項在於亂數產生、尋找未排序數列的最小值、解決圖論中的節點連結問題、特徴吻合等，科學家已經設計出多種量子演算法，來解決傳統電腦不易解決的問題16。

其中2008年由三位科學家Harrow、Hassidim和Lloyd發明的量子演算法HHL，能夠快速解決多自由度，龐大的線性代數問題；而機器學習正好大量倚重這類型的大量線性代數運算，因此專家們很快就開始試圖將量子演算法和機器學習結合，機器學習是少數在量子電腦發展早期就有機會找到利基的領域。

雖然短期內傳統的機器學習仍會較早開始實際應用在交通、醫學和金融市場，量子系統在產生真正亂數和處理非傳統二進位式資料會時將占有較大的優勢，例如傳統常應用於金融市場的蒙地卡羅機器學習演算法，需要產生真正的亂數才能有最佳表現，此時量子電腦的長處就可以被展現10。

許多量子機器學習新創公司已經開始研發如何利用量子系統加速機器學習，其市場潛能也吸引了許多資金投入19。

（二）量子電腦在化學和製藥的應用 圖／hioahelsefag@Pixabay 一般專家普遍認為，化學將是量子運算最強且最立即的應用9。

量子電腦將可以用來幫助設計乾淨能源所需要的催化劑，了解生物體內的酵素，發現新的太陽能電池材料或高溫超導體材料。

它的優勢在於超乎現有傳統電腦的強大運算能力，足以真正模擬和創造複雜的電子和分子互動模型。

一般進行化學反應模擬時，由於需了解各分子所含原子彼此間互動情形，需計算各原子的電子互動能量，包含所有電子的位置和能階（即軌域）。

現有的傳統電腦在125個軌域時，就需要超出宇宙所有原子數量的記億體來儲存所有的資訊，實際上無法處理如此大量複雜的資料和運算，因此現在的量子化學家在建模型時，常必須故意省略某些電子的行為特性，尤其是電子間強烈互動的情形。

這種近似算法在模擬有機化學分子時是可以接受的，但是在金屬分子這種大量電子擠在極小空間的例子，電子間的強互動卻正是它的本質，被忽略就無法真正了解實際的化學原理。

類似無法被簡化的傳統方式模擬的例子還有高溫超導體材料、含金屬的酵素活性位點等。

然而量子位元的疊加特性使量子電腦能夠輕鬆完成這類運算，對新藥和新材料研發做出極大的貢獻，一旦技術成熟，新藥的研發前期將可透過量子電腦模擬化合物結構和生物體內酵素或受器的交互作用，對療效和副作用做較佳的預測，減少研發時間和成本，熟悉並且了解如何利用量子運算的廠商在新藥設計就會占有先機。

（三）量子電腦對比特幣市場和區塊鏈安全的威脅 圖／BenjaminNelan@Pixabay 虛擬貨幣比特幣和其他使用區塊鏈技術之應用的安全性，在於其加密的強度很高，不容易被傳統電腦破解，當擅長於複雜運算及密碼破解的量子電腦技術漸趨成熟，會不會對這些應用產生威脅？例如現行的比特幣協定，利用生成一個特定的隨機數（nonce）做為新區塊鏈生成的必要條件之一，而生成這個隨機數需要大量的計算能力，礦工挖礦就是提供計算能力，並獲得比特幣做為獎勵。

然而偶爾會有兩組礦工同時宣告兩個不同的區塊，此時比特幣協定會以已完成較多運算的區塊為主，抛棄另一個落後的區塊，這會導致網路中擁有多數運算能力的礦工永遠獲得下一個區塊，成為控制比特幣帳簿的主宰。

如果量子電腦加入挖礦的行列，並且展現出壓倒性超出其他礦工的計算能力，整個比特幣市場就可能瓦解。

新加坡國立大學的研究人員針對這個可能，對未來十年量子電腦運算能力的預測和目前用來挖礦的電路運算能力成長做比較；結果發現，未來十年內現有的硬體還能夠在速度上占有優勢，量子電腦主宰比特幣挖礦的情況應該不至於馬上發生。

然而比特幣的另一個安全協定特徵，橢圓曲線數位簽章（ellipticcurvesignature）卻可能更快在量子運算下暴露出弱點，比特幣的擁有者會握有一個私有密鑰和發布一個公開密鑰，在不公布私有密鑰的情形下，利用公開密鑰來證明自己是這個比特幣的擁有者，而公開密鑰可以很容易的由私有密鑰生成，反之則不然。

雖然傳統電腦很難透過公開密鑰算出私有密鑰，對量子電腦來說卻很容易，研究人員估計在2027年這項安全協定就可能會被破解6。

雖然比特幣和其他虛擬貨幣還未真正普及，但其交易熱度和市場接受度日漸增加，在金融市場逐漸開始接受和嘗試奠基於密碼保護的數位化交易平台時，量子運算技術對區塊鏈的威脅和未來金融市場的衝擊不可小覷，在可見的未來，這場矛與盾的對決將隨著量子運算漸趨成熟，和區塊鏈技術的普及化越來越激烈。

結語：量子電腦的未來，企業與國家的挑戰 IBM推出的20量子位元的商業化雲端量子運算服務，是量子電腦的重大里程碑，象徵著量子運算時代的曙光乍現，有些分析指出最快2到5年內，量子運算會開始進入實質企業應用。

如前文所述，也許量子電腦初期的應用是在於特定領域解決特定的問題，同時需搭配傳統電腦作為運算升級之用，但仍然具有極大潛在的商業機會或是風險。

如同人工智慧的快速發展，一旦量子電腦起飛，企業和國家如何因應和準備，找到利基，建立差異化優勢，又如何預應風險，例如發展不受量子運算破解的加密方式，維護資料安全等，都需要全方位的整體性思考及規畫。

參考資料： 陳蔚然(2017)。

第二次量子革命啟動。

王宣智(2015)。

英國量子技術發展戰略。

AshleyMontanaro.(2016).Quantumalgorithms:anoverview. AssociatedPress.(2017).IBMsaysit’sreachedmilestoneinquantumcomputing. BrianWang.(2017).Chinawillopena$10billionquantumcomputercenterandothersalsoinvestinginquantumcomputing. EmergingTechnologyfromthearXiv.(2017).Quantumcomputersposeimminentthreattobitcoinsecurity. IdaliaFriedson.(2017).Quantumcomputingwillbeahugeadvantagetowhatevernationgetsittoworkfirst. Jenniferouellete.(2017).Nanofridgecouldkeepquantumcomputerscoolenoughtocalculate. KatherineBourzac.(2017).Chemistryisquantumcomputing’skillerapp. MarkAnderson.(2017).Ahybridofquantumcomputingandmachinelearningisspawningnewventures. MITreview.(2017).10breakthroughtechnologies2017. OECD.(2016).OECDScience,TechnologyandInnovationOutlook2016. Officeofthedeputyassistantsecretaryofthearmy(research&technology).(2016).Emergingscienceandtechnologytrends:2016-2045. PeterReuell.(2017).Researcherscreatequantumcalculator. PrincetonUniversity.(2017).Newsiliconstructureopensthegatetoquantumcomputers. RonMiller.(2017).IBMmakes20qubitquantumcomputingmachineavailableasacloudservice. RussJuskalian.(2017).Practicalquantumcomputers. TiffanyTrader.(2017).Japanunveilsquantumneuralnetwork. WillKnight.(2017).Astartupusesquantumcomputingtoboostmachinelearning. WillZeng,BlakeJohnson,RobertSmith,NickRubin,MattReagor,ColmRyan&ChadRigetti.(20173).Firstquantumcomputersneedsmartsoftware. IBM QuantumComputing  本文轉載自科技政策與資訊中心網站《科技政策觀點》，原文標題《量子電腦─曙光乍現》 延伸閱讀： 量子電腦是什麼？｜PanX每週單字 量子電腦要問世了嗎？當前量子電腦的大計劃 發表意見 文章難易度 剛好 太難 所有討論 0 登入與大家一起討論 ResearchPortal（科技政策觀點） 10篇文章 ・ 4位粉絲 ＋追蹤 ResearchPortal（科技政策觀點）為科技政策研究與資訊中心（STPI）以重要議題導向分析全球科技政策與科技發展趨勢，呈現研究觀點與產出精華。

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採訪撰文／劉韋佐、田偲妤美術設計／蔡宛潔 熱心助人背後隱藏什麼樣的內心劇場？ 臺灣民眾熱心公益，世界有目共睹，不論是日本311大地震、防疫物資捐贈，還是烏俄戰爭，都可見到臺灣人的無私捐獻。

然而，當援助者數量遠多於待援者時，你依然願意慷慨相助嗎？中央研究院「研之有物」專訪院內社會學研究所江彥生研究員，以社會心理學剖析助人行為的群眾效應。

經由「獨裁者遊戲」揭露「英雄／小卒效應」，到底多數人是樂於當慷慨的英雄？還是甘為保守的小卒？一起揭開助人行為的內心劇場吧！ 圖／iStock 搭公車時，目睹身邊的乘客受到他人無端騷擾，你會怎麼做？ 見義勇為，立即出手援助！深怕第一個出手反而招來麻煩，還是先觀察一下好了。

當作沒看到，少一事是一事。

這樣的場景常在公共場合發生，多數人會忖量他人行為來評估是否出手助人，這正是社會心理學所關注的「旁觀者效應」（BystanderEffect）。

面對單一的待援者時，作為一個旁觀者的「我」，往往會等待他人搶先一步伸出援手。

或許是出於自利心態，也可能是「責任分擔」心理作祟，這樣的旁觀者效應在不同狀態下對助人行為的影響與衝突，引發社會心理學家想進一步探究人類社會行為的動機。

為何有人在公共場合受傷、被騷擾，多數人選擇旁觀？並非我們沒有同理心或助人之力，主要是在場的人正在觀察，看有沒有人先我一步伸出援手。

圖／研之有物 社會心理學（SocialPsychology）是一門研究人類社會行為的學科，以科學方法研究在不同情境下，人們會採取的行動，以及這些行動所造成的後果。

上述提到的旁觀者效應是社會心理學的經典案例，通常是數名援助者面對單一待援者會產生的現象，那麼若是單一援助者面對數名待援者，又會發生什麼樣的狀況呢？ 來玩獨裁者遊戲，英雄、小卒現身！ 江彥生提到，許多研究證據指出，當單一援助者面對數名待援者，這名援助者更願意展現「英雄氣概」，援助通常會給得很霸氣！但是，當有好幾名援助者面對單一待援者，此時似乎沒有展現英雄氣概的機會，若只能當「小卒」，那還是先等看看其他人會不會出手吧！ 為了驗證上述心理狀態，江彥生借用行為經濟學（BehavioralEconomics）中的「獨裁者遊戲」（DictatorGame）來設計實驗。

實驗以匿名方式進行，先支付每位受試者新臺幣200元酬勞，再請受試者擔任援助者的角色。

在絕對自由的情境下，觀察受試者會選擇獨享這200元，抑或將部分所得捐給其他待援者。

實驗結果顯示，手上握有酬勞的人或多或少都願意捐款。

此外，江彥生也發現，比起面對單一待援者，若面對數名待援者時，受試者通常願意捐得更多。

然而，當知道有其他握有酬勞的援助者時，受試者就不會這麼大方了，原因可能出自「責任分擔」心理，甚至可能在援助者之間產生社經地位的比較心態，不想因捐款而讓自己的經濟狀況趨於劣勢。

研究結果與「英雄／小卒效應」可說是不謀而合。

慷慨英雄VS.保守小卒，選擇是「對稱」的嗎？ 「英雄／小卒效應」獲得驗證後，江彥生更想進一步探究的是：在面對眾多援助者時，一個人所減少的慷慨度，比起面對眾多待援者所增加的慷慨度，是否相同？換句話說，助人行為的群眾效應是否對稱？ 為什麼會談到「對稱」呢？原來在認知心理學（CognitivePsychology）中，有一個著名的「不對稱理論」，源於2002年諾貝爾經濟學獎得主丹尼爾．康納曼（DanielKahneman）所提出的「展望理論」（ProspectTheory，或譯「前景理論」）。

展望理論指出，「損失」所帶來的負面情緒，比起「獲得」的正面感受，人們更在意損失所帶來的影響。

這說明了人類對於「得」與「失」的感受是不對稱的。

那麼英雄和小卒之間的助人行為會是對稱的嗎？在下列圖示中，援助者贈與待援者的金額為「縱軸」，而援助者與待援者的人數比例為「橫軸」。

來看看受試者得知援助者和待援者的人數變化時，捐款行為會產生什麼樣的改變。

受試者得知援助者和待援者的人數變化時，捐款行為會產生的改變。

圖／研之有物（資料來源｜江彥生） 實驗結果顯示，當援助者的人數超過待援者時，贈與金額下滑的幅度（小卒效應），比起援助者少於待援者時，贈與金額上升的幅度（英雄效應），竟足足多出了一倍之多！ 「小卒效應」是「英雄效應」的兩倍強！ 換句話說，當我們發現自己當不了英雄，選擇「縮手」的程度反而更快！即便有當英雄的機會，「出手」也不盡然闊綽。

「英雄／小卒效應」不僅揭露人在面對弱勢者的心理變化，更能運用在線上捐款或募資活動的設計上。

江彥生以「Kiva」平台為例，這是一個和全球微型貸款合作的網站，讓每個人都有機會捐款幫助他人，減緩貧窮問題。

平台上的待援者會寫出自己的背景和財務需求，供援助者瀏覽後決定要給予多少經濟支援。

若能利用上述的「英雄效應」，透過調整演算法，調配出最適當的瀏覽分配比例，應能激發援助者最大的英雄氣概，盡量不遺漏每一個需要幫助的人！ 想當社會心理學家？你必須先是個好導演 圖／研之有物 社會心理學家常常遊走在不同的社群之間，藉由精心設計的實驗，發掘人性的各種衝突與複雜層面。

江彥生談到，一名社會心理學家要對組織或社群互動感興趣，關注人格、社會影響力，以及群體的行為狀態。

除此之外，你還需具備設計實驗的想像力。

江彥生笑著說，做實驗的時候覺得自己好像導演！設計實驗有點像在編寫劇本，要先在腦海中沙盤推演角色可能的行為舉止，思考如何讓角色之間產生互動。

接著還要讓角色投入實驗情境，然後觀察這些人在情境中的反應。

正統的社會學像是紀錄片，而社會心理學就像電影，透過劇本的編寫，設計一個實驗情境，觀察個人或群體的互動關係、心理反應，以科學研究分析其中的因果關係。

江彥生的研究室有佔滿整片牆的黑板，上頭用粉筆畫了許多圖式及演算公式，是在反覆推敲不對稱助人行為等研究計畫所留下的思考軌跡。

面對我們習以為常的日常情景，江彥生卻以銳利的眼光探究每個行為背後更深層的心理狀態。

雖然自嘲是「談話殺手」，但在訪談之間，卻處處顯露江彥生對研究的熱情，藉由剖析當前複雜的社會系統，讓我們更了解芸芸眾生難以言說的內心劇場。

延伸閱讀 Chiang,Y-S.,Hsu,Y-F.(2019).Theasymmetryofaltruisticgivingwhengiversoutnumberrecipientsandviceversa.JOURNALOFECONOMICPSYCHOLOGY73,152-160.江彥生（2021）。

【專欄】英雄氣短，小卒氣長？淺談助人行為的群眾效應。

中研院訊。

發表意見 文章難易度 剛好 太難 所有討論 0 登入與大家一起討論 研之有物│中央研究院 245篇文章 ・ 1958位粉絲 ＋追蹤 研之有物，取諧音自「言之有物」，出處為《周易·家人》：「君子以言有物而行有恆」。

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這種狀態有點類似冬眠，遇見不利生存的條件時將所有代謝活動停止。

近期，有一國際研究團隊宣稱這種生物還有另一種出乎意料的能耐：和超導量子位元進行量子糾纏。

用生物體做量子糾纏可是前所未聞，讓大家都嚇壞了。

不過這個實驗究竟做出了什麼結果，讓作者可以做出這種宣稱？科學家沒事又為什麼要去抓水熊來糾纏呢？ 掃描式電子顯微鏡下的水熊成蟲。

圖／EOL 什麼是量子糾纏？ 量子糾纏是量子力學獨有的一種描述，至於實際上到底是在「糾纏」什麼，可以參考先前這篇文章[2]。

儘管名字聽起來很神祕，但量子糾纏並不只存在於科幻電影和內容農場，現今在實驗室中造出糾纏的粒子對早已是稀鬆平常的技術。

量子計算和量子傳送等應用領域就是以糾纏作為基礎發展至今。

雖然這樣說，但利用糾纏粒子將物品或人類在星際間傳送的夢想可能還得再等等。

因為目前能夠成功被「糾纏」的都是個別的金屬離子、奈米大小的粒子、和鑽石結晶這類易於控制，結構簡單的微小目標物。

相對於這些乾淨整齊的系統，生物體的結構可說是極為雜亂複雜，難以成為量子實驗的對象。

此外，為了減少物質本身熱能所帶來的振動影響，糾纏的實驗程序時常需要在接近絕對零度的低溫環境下進行。

在這種溫度下不只生命無法延續，許多物質的特性也都已經改變。

因此，儘管實驗方面已經發展許久，要對活生生的生物進行量子糾纏仍是相當遙遠的目標。

對量子力學來說，整個生物世界太亂又太熱，完全不會想靠近一步。

正因如此，這篇拿水熊做實驗的文章才引起了大家的關注。

水熊和超導量子位元的糾纏 水熊一般只有幾百微米大，算是「巨觀」生物中相對微小的種類，要做量子實驗的話較好下手；更重要的是水熊能夠以隱生狀態度過嚴苛的實驗環境，爾後再重新恢復活力，如此一來要是成功便也算是對生物體進行量子糾纏了。

實驗團隊於是將一隻水熊放到了絕對溫標0.01度（也就是只比絕對零度高0.01度），同時接近真空的環境中，在此和兩個超導量子位元進行實驗。

他們將水熊放入其中一個量子位元零件中，並觀察到位元的共振頻率產生改變。

接著他們用常見的量子計算程序將兩個位元進行糾纏，並測試糾纏結果。

根據測試的結果，作者宣稱水熊和兩個量子位元形成了三個位元的組合態。

也就是說，水熊在這裡變成了第三個等效的量子位元，和另外兩個超導位元糾纏在一起！實驗結束後，水熊周遭的溫度和壓力被緩慢恢復至適合生存的範圍，最後重新開始代謝活動。

作者宣布他們突破了以往的實驗限制，打開了通往量子生物學的大門，並以「水熊和超導量子位元的糾纏」為題，將文章的預印版放上了arXiv網站，引起科學界一片譁然。

圖／GIPHY 等等，這其實不用量子力學也能解釋 雖然實驗相當有趣，媒體也爭相報導，但是許多物理學家認為這份研究的標題過為聳動，突破性恐怕也是過於誇大。

IsaidIwasdonewiththe“qubitentangledwithatardigrade”discussion(regardinganunpublishedmanuscriptthatappearedonlinerecently).Butnowthatmisleadingnewspiecesarecomingout,Idecidedtospellitoutatanon-technicallevel1/nhttps://t.co/gjjhX6ss8g—BenBrubaker(@benbenbrubaker)December18,2021 超導量子位元其實跟一般電子零件一樣，裡面有電容、電感等等基本單元所組成的電路；而接近絕對零度的水熊，基本上能當成一小團冰塊。

實驗團隊將冰塊放到電容裡面，會改變它的共振頻率等特性其實不足為奇。

如果電容裡面掉進了一些灰塵，其電路性質也會受到類似的影響。

不論零件中放入冰塊，灰塵，還是螞蟻，這些影響都是「傳統」的電磁學可以描述的，並非量子現象。

也就是說，作者宣稱的「整隻水熊做為一個量子位元進入了量子糾纏態」這個解讀不只言過其實，甚至有誤導之嫌。

這篇文章目前還未投稿至期刊，因此沒有經歷同行科學家的審查，還不算是夠格的科學實驗結果。

關於這份研究有哪些方面需要改進，目前仍是備受爭辯的有趣問題。

不過有件事是大部分人都同意的，那就是這次實驗再度刷新了水熊生存能力的極限。

或許將來某天，水熊的隱生能力真的能成為生物世界和量子物理之間的橋樑。

不過就目前而言，好奇心滿點的物理學家得再更努力些。

編按：該如何驗證量子糾纏，可以參考〈驗證量子纏結的貝爾不等式│科學史上的今天：06/28〉，此論文的主要問題是不能藉由實驗設計，來確認三者共振頻率改變是源自於量子糾纏。

參考資料 看過「水熊蟲」走路嗎？——牠的步態與50萬倍大的昆蟲很相似！照出黑洞不算什麼，科學家連量子纏結都能拍到！？水熊和超導量子位元的糾纏（原文） 發表意見 所有討論 0 登入與大家一起討論 linjunJR 28篇文章 ・ 460位粉絲 ＋追蹤 清大理工男。

不喜歡算數學。

喜歡電影、龐克、和翻譯小說。

不知道該把科普當興趣還是專長，但總之先做再說。

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現代密碼學是數學、電機、資訊的結合應用，其中包含了大量的資訊原理，以及數學理論，所以也可以說是數學在實務應用上的分支，隨著科技的發展，人類計算機的算力不斷的提升，相關的應用也持續在發展。

生活中處處可見密碼學的蹤跡。

圖／pixabay 不過近年來量子運算(Quantumcomputing)技術的快速進展，也開始對現今使用的加密與解密系統帶來衝擊。

其實早在1994年彼得.秀爾(PeterWillistonShor)這位數學家提出的量子質因數分解演算法(Shor演算法或是Shor公式)時，就宣告了只要人類能夠使用量子電腦，將可以快速突破RSA這種我們目前生活中的主流演算法(RSA為發明此演算法的三位科學家姓氏的第一個字)。

時至今日，不管是google的「Sycamore」還是IBM的「IBMQSystemOne」甚至是中國科學技術大學的「九章」，都在告訴我們量子電腦的應用在可預見的未來是會出現的，為了應對量子跳躍性的計算能力，世界上也展開了次世代資安技術的研究與規格制定，這其中以基於密碼學為發展基礎的後量子密碼學(Post-QuantumCryptography,PQC)以及以量子技術為基礎的量子密鑰分發(QuantumKeyDistribution，QKD)為目前較有名的加密方式。

不過由於QKD目前在開發上還有很多問待解決，美國國家安全局(NAS)目前並不建議使用這種加密系統，所以這次主題將集中在PQC的討論上，我們就請到匯智安全科技陳君明董事長，和我們談談究竟PQC怎麼從眾多加密方式中脫穎而出，而PQC領域現在發展的狀況又是如何呢？ 陳君明董事長。

圖／陳君明提供 早在40年前就開始的後量子密碼學，最近開始進入到大眾的視野中 陳君明表示，在過去幾十年來的加密算法主要是以質因數分解(RSA)與離散對數問題(DSA.ECC…)為安全基礎下去設計，直到目前為止也都是如此，但就像前面說的，1994年Shor演算法(shor’sAlgorithm)的出現，就已經預知了量子電腦的出現將可以快速突破這類利用特定「群」來設計的演算法。

不過雖然說量子電腦在破解RSA有非常大的優勢，但他能發揮優勢的也只是在這樣特定的領域，所以科學家們為了要防禦量子電腦在未來造成的衝擊便開始往PQC的方向走，而數學專業的陳董事長也剛好就是在這個時期觸到密碼學，原本就不希望數學的專才侷限在純數學的領域的關係，便順水推舟的往密碼學方向做發展。

量子電腦的出現，大幅挑戰密碼學的安全性。

圖／flickr PQC一開始的出現並不完全是為了要防禦量子電腦的攻擊(畢竟當時也還沒發明出量子電腦)，他比較像是科學家們為了要加強我們的公鑰加密系統去做的研究，說的簡單一點，就是數學家們不斷的在開發數學工具(演算法)來讓我們的加密系統可以有更好的防護效果，而PQC是其中一個大分支，直到近期量子電腦的出現PQC才開始變得更主流。

至於原本前面談到的RSA、ECC…過去主流的演算法也因此開始變得較為沉寂，畢竟未來會被破解的機會比較大，研究者們自然比較不會往這些舊的加密領域做太多投入。

PQC如何對抗量子電腦？ 在談到如何對抗量子電腦前，我們必須先了解量子電腦到底強在哪裡。

在大眾的想法中量子電腦聽起來非常厲害，應該是運算能力比我們目前使用的傳統電腦強上非常非常多的新形態電腦，但這樣的說法其實只說對了一半。

量子電腦強大的是他在解特定種類的數學問題時，可以有極為強大的運算能力(百萬倍以上)，也就是說量子電腦在做特定的事情上非常厲害，但在這些事情之外，量子電腦基本上並不會比傳統電腦更有優勢，而PQC就是繞過量子電腦優勢去設計的加密演算法。

「嚴格來說，利用代數結構的特性，來讓量子電腦無法發揮他的優點。

」陳君明和我們說明道，但了解了PQC之所以能防禦量子運算的原因後，你大概就會發現，其實PQC並不是一種單純的演算法，而是「繞開量子電腦算力優勢」這種策略下出現的演算法的總稱。

目前美國國家標準技術研究院(NIST)已於2016年啟動了後量子密碼學標準化流程，並向世界公開徵求演算法，經由透明且嚴謹的程序來篩選出適合的國家標準，說的簡單一點，做為PQC領域領頭羊的NIST，會先提供一個演算法的基本規則，讓大家投稿自己的演算法，接著公開這些算法讓大家去互相破解，逐步篩選出夠強的演算法，就像提供一個演算法的PK擂台，留下夠強的演算法進入下一輪篩選，2017年通過初審的的演算法有69組，進入第二輪(2019)的有26組，晉級第三輪(2020)的有7組勝選組和8組敗部組，而NIST也將在2022到2024年經由競賽的結果，來公布國家標準的草案。

「這些數學工具(演算法)基本上都不太一樣，其中lattice是比較被看好的算法，不過真的要說誰最強並不準。

」陳君明和我們說明道，在演算法的驗證過程中，要去證明一個算法是安全的其實不太可能辦到，反之我們要證明他不安全是相對容易的，所以在密碼學領域中，能夠經過千錘百鍊留下來的算法更能證明自己的安全性，同時也比較能受到大家的信任。

所以在今年底或明年初，NIST將會公布獲選的演算法，彼時就會知道未來將由哪種算法來代表PQC領域帶著世界繼續前進。

PQC這麼早就有了為什麼到現在才開始用呢？ PQC的好處是不需要使用到量子力學(技術與設備條件較為嚴苛)，僅使用現有的傳統電腦套用函數庫，即可完成加密系統的運作且能防禦量子運算的威脅。

那你可能會問，如果PQC這種解法這麼好用，為什麼到近年才開始成為顯學呢？當然前面有說到量子電腦的出現推了PQC一把，但實際上PQC有一個比較明顯的問題，那就是加密使用的金鑰非常巨大。

前面有說到現行使用的大宗加密方式有RSA和ECC等方法，他們的大小約為2048bit上下，算是比較小的，運算上較為便利。

但PQC的金鑰可能會大上千倍以上，這樣在存儲與運算上需要的門檻也就會有所提升。

所以以過去十幾二十年前硬體存儲能力與算力的水平還不夠強的情況下，PQC這樣的加密方式在實用上是比較麻煩的，但到了現代我們硬體有了大幅度的提升，配合上演算法的優化，PQC的使用就沒有像過去那麼麻煩了，換句話說，現在PQC能走上時代舞台某個程度上也是水到渠成的結果。

PQC將如何進入我們的生活 在文章的開頭有說到，密碼學在我們的生活中是構築資訊世界的基礎，現在要將舊的算法轉換為新的算法肯定會有轉換的過渡期，也正因為密碼系統的應用面實在太廣了，所以要更新現行的公鑰加密系統會是一個非常浩大的工程。

舉例來說，最近一次大規模更換算法約在2000年左右，當時美國決定採用AES算法，各大相關企業光是將部分加密方式採用新的方法就花了近十年的時間去做調整。

同理，陳董事長認為，這次要轉換為PQC系統所需要花費的時間可能也要十年以上，但這並不代表PQC就難以執行或是還要很久才派上用場，反之可以做更靈活的應用，最簡單的方法便是將原本的資訊做風險分級，分級最高的就使用PQC來做加密，而風險分級較低的就使用原始的加密方式去做分配就是一個比較實用的做法。

隨著NIST的相關標準的完善，許多大企業也開始跟進PQC的使用，像J.P.Morgan在近期也已經在未來的時程表上標示準備開始導入PQC系統，也隨著越來越多的單位開始使用PQC加密系統，相應的PQC技術與相關產品也會應運而生。

你我都正在參與這場後量子密碼時代的揭幕，你可以不知道PQC背後的複雜數學原理，但我推薦各位讀者務必認識一下，當大家都在說量子電腦多強多猛的時候，世界上早就有一群科學家準備好PQC這張盾，來面對接下來量子運算的衝擊。

面對量子運算的衝擊，科學家已做好準備。

圖／pixabay 參考文獻 NISTIR8309,PQCProjectSecondRoundReport|CSRC【臺灣資安大會直擊】為對抗量子電腦攻擊手法，後量子加密PQC演算法有望變成未來全球加密與數位簽章新標準|iThome量子密碼學–維基百科，自由的百科全書後量子密碼學–維基百科，自由的百科全書 發表意見 所有討論 3 登入與大家一起討論 #1 鄭國威Portnoy 2021/10/04 回覆 感覺世界的規則（加密與解密）正在大多數人不知不覺中被制定著。

#2 狐禪 2021/10/06 回覆 #1 如果曾讀過「spycatcher」(捕諜郞)那本老書，就更會這麼覺得了。

#3 鄭國威Portnoy 2021/10/06 回覆 #2 感謝推薦 科技大觀園 82篇文章 ・ 1097位粉絲 ＋追蹤 為妥善保存多年來此類科普活動產出的成果，並使一般大眾能透過網際網路分享科普資源，科技部於2007年完成「科技大觀園」科普網站的建置，並於2008年1月正式上線營運。

「科技大觀園」網站為一數位整合平台，累積了大量的科普影音、科技新知、科普文章、科普演講及各類科普活動訊息，期使科學能扎根於每個人的生活與文化中。

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