量子電腦和量子網路：科技的下一場重大革命，它們如何運作和改變我們的世界

◎NTU-IBM量子電腦中心　張慶瑞主任／專文推薦
◎國立成功大學資訊工程學系　鄭憲宗教授／審定
◎量子電腦只要200秒就完成超級電腦一萬年的複雜計算
◎IBM、Google、Microsoft、amazon、Intel都投入的下一場革命性創新
◎Amazon讀者4.5星好評

量子電腦未來的應用，以及為何現在各大公司願意全力投入量子科技的開發的原因，作者都不厭其煩地闡述透徹，讓讀者對量子這項漸漸成熟的科技有全面的理解。要理解量子電腦及其未來趨勢，這本書是很好的入門。
――張慶瑞　NTU-IBM量子電腦中心主任

量子電腦是一種「典範轉移」，將徹底顛覆科技產業。台灣必須以戰略思維來擁抱量子電腦，而不是因半導體短期榮景而沾沾自喜。
――黃齊元　藍濤亞洲總裁

精鍊說明量子電腦的硬體實踐，包含不同架構的優劣與相應龍頭企業。頗具縱深地觸及量子演算法可能帶給世界的改變，並且在樂觀基底中包含客觀的審慎。
――曾可維　新加坡國立大學量子科技中心博士候選人

所有科技大廠如谷歌、微軟和英特爾都在爭奪量子計算領域的霸主，終於有一本書可以讓我們簡單地知道，它將如何改變世界與你我生活，非常推薦這本《量子電腦和量子網路》。
――蘇書平　先行智庫執行長

知識不該是少數人的特權，前沿研究固然重要，但科普教育才是根本。本書透過淺顯易懂的故事，將量子計算友善地帶給想要入門的莘莘學子。
――卓建宏、陳在民　元宇宙量子計算Quantum Computing社群發起人

量子電腦與其說是一台機器，不如說是一股自然力量。

從一九四○年代一個房間大的密碼破譯機電腦，到今天小至可以放在口袋的智慧型手機，它們的運作原理都差不多。而量子電腦是以另一種全新的計算方式，即將徹底顛覆我們理解和計算世界的方式，這個新計算方式的到來，就是「量子霸權（quantum supremacy）」的時代。

量子存在著謎一般的物理特性，例如其「疊加狀態」，即是波又是粒子，這種雙重特性讓一個量子位元同時是0又是1，這在傳統電腦上就需要二個電晶體位元表示0或1。一個量子位元能夠保存更多的計算訊息，因此量子電腦可以實現指數級加速的計算能力。

另一個連愛因斯坦也解不開的量子之謎，即「量子糾纏」，二顆相關聯的量子，無論距離多遠，它們的特性都保持相關聯，因此發送端將訊息加在量子上，另一頭接收端的量子就能立即（沒有時間差，比光速還快）改變其狀態，瞬間傳遞訊息，且達到不可能被攔截的絕對安全性。

這些神祕的量子特性，如何被科學家應用在電腦計算、遠距通訊呢？作者為全球著名科技雜誌《連線》資深編輯，在書中以淺顯易懂的文字，說明當今科技巨擘如IBM、Google、Microsoft等，以各種不同的方式研發量子電腦，以及量子通訊目前的最新進展。量子科技的發展，將解決需要大量運算的複雜問題，例如：

◎找到更便宜、蘊含量更豐富的電池材料，以取代越來越少的鋰
◎改善農業使用的氮肥生產程序，減少傳統化肥生產的碳排放
◎破解捕捉二氧化碳的化學方式，減緩全球氣候暖化的問題
◎模擬人體極複雜的內部相互作用和過程，更快開發出新藥物
◎無法被攔截的訊息傳遞，保障更安全的網路環境

雖然量子科技還有許多艱難的技術問題有待解決，但其無限巨大的潛力，注定是人類未來最重大的技術革命。

阿米特•卡特瓦拉（Amit Katwala）
屢獲殊榮的作家和編輯，也是The Athletic Brain一書的作者。他是《WIRED（連線）》雜誌的資深編輯，曾為《泰晤士報》、《衛報》和《體育》等雜誌撰稿，並採訪許多知名運動員。他常受到BBC、CNN、天空體育台和英國電信體育台邀請，並曾在SXSW大會和其他活動中發表演講。二○一九年，阿米特•卡特瓦拉贏得了英國科學作家協會（British Science Writers）年度編輯獎以及Memcom獎；二○一二年，他在G2領導力獎（G2 Leadership Awards）中獲得了年度青年記者獎。他還被體育新聞記者協會（Sports Journalists Association）評選為「年度傑出作家」，並被英國科學作家協會評選為「年度人物」。

專文推薦
張慶瑞　NTU-IBM量子電腦中心主任

各界專家好評推薦（依姓名筆畫排列）
林一平　《科學人》雜誌共同總編輯
卓建宏　元宇宙量子計算Quantum Computing社群發起人
陳在民　元宇宙量子計算Quantum Computing社群發起人
張繼聖　T客邦總編輯
曾可維　新加坡國立大學量子科技中心博士候選人
黃齊元　藍濤亞洲總裁
蘇書平　先行智庫執行長


■推薦序
從古典世界進入量子世界
張慶瑞
NTU-IBM量子電腦中心主任

量子計算已經被譽為未來世界的改變者，同時也會導致世界當前的權力變化。但量子電腦背後的真正意義是什麼？如果不了解量子電腦是否足以成為現代公民？本書以淺顯的文字，把量子的特性和量子電腦的優勢，說明得相當清楚。更重要的是，量子電腦未來的應用，以及為何現在各大公司願意全力投入量子科技的開發的原因，作者都不厭其煩地闡述透徹，讓讀者對量子這項漸漸成熟的科技有全面的理解。要理解量子電腦及其未來趨勢，這本書是很好的入門。
量子概念近年來在積極推廣下，逐漸在台灣各處播下量子科技成長的幼苗，希望未來能夠迅速成長茁壯。量子新世代，是一個充滿嶄新科技希望的Q世代，Q世代各種機會將比過去嬰兒潮世代更加寬廣，也更波濤洶湧。熱學與力學的工業革命，讓人類享受機械力量的果實；電磁學與光學的半導體革命又讓人類進入數位世界。今天量子力學再度啟動量子革命，將會在地球上創造出怎樣的科技成果，還有待觀察。
人類廿世紀從自然中學習量子科學，利用已有材料製作量子元件。在廿一世紀的第二次量子科技革命，開始進入量子工程世紀，使用量子科學來架構量子工程，進一步製作出自然界所沒有的材料與元件，組合出嶄新的量子機器來造福人類。這本書提到的指數威力，是量子電腦遠勝過古典電腦的主因，一般人通常不太容易理解指數為何具有如此龐大威力，本書以簡單的說明，讓讀者可以輕易了解。
今天，IBM已將一百二十七量子位元的電腦上線，更宣稱目前的一百二十七量子位元可以構成的龐大量子組態，是當前地球上所有原子都變成古典位元（約1050個原子）所共同組成的古典電腦也無法比擬的，而很快地，甚至整個宇宙的原子（約1080個原子）所組成的古典電腦，也無法比擬即將出現的量子電腦威力。量子電腦的各種應用黃金期即將出現，尤其今年ION Q公司正式在美國股市上市，吸引資金投入而快速上漲，更讓大眾對量子科技的未來有無限期待。目前快速發展的結果是，廿歲以下的年輕一代絕對無法離開未來的量子生態環境。現今全世界已經有超過三十六萬個使用者，透過雲端使用IBM量子電腦，每天至少有二十億個量子指令在網路上執行，未來量子知識的重要性將遠勝於其他知識，因此良好的量子啟蒙書也變得格外重要。
作者是《連線》資深編輯阿米特·卡特瓦拉，他在本書中不但告訴你量子科技革命的基本常識，同時也解釋了背後的高度複雜科學。對量子計算的現狀和前景有很完整的介紹，但內容又不太艱澀。它是一本相當有趣的量子基礎書籍，描述了量子計算的可能性和未來發展。對於想要了解更多關於量子計算，以及實現方法和簡單應用的人來說，本書是一個很好的墊腳石。書中提到谷歌、微軟、騰訊和阿里巴巴等中美公司間的科技競爭現況與背後驅動的力量。作者也介紹了量子計算未來在醫學、網絡安全和乾淨能源等領域的潛在應用，同時更客觀地估計量子霸權還要多久才會來臨。作者指出，雖然量子電腦已經有極大進展，但目前許多人對量子電腦的過度期望，已遠超過現有量子電腦可以達到的功能，但這並不是說未來量子霸權不會發生，只是目前的電腦硬體仍無法做到。為了讓量子計算能夠加速來臨，物理學與數學的基本訓練仍然是必要的。IBM二○二一年的量子路程發展圖，已經宣告二○二四年要開發糾錯能力的量子電腦。甚至告二○二五年將進入百萬量子位元的時代，書中提到各種量子計算的神奇應用，甚至破解金融密碼，也都會隨著IBM的硬體成熟而即將逐步實現。
量子科學在二十世紀初期由歐洲奠基而後逐漸成熟，並推動了近代對宇宙萬事萬物的深入了解。量子科學在許多概念上與古典的宏觀世界確實有顯著不同，例如量子化與不確定的機率概念，不但在科技上造成極大變化，同時也在人文與哲學方面引起甚多探討。由於量子科技的進步，量子引發的思維也將再度衝擊人文與哲學的新思維，量子科技將於未來數十年內會快速推進人類文明的再進化。社會科學過去主要都建立在傳統世界觀的基礎上，未來可能需要依照量子論的思維進行思考與重構。例如，人類可能從來都不是完全分離的，而是糾纏在一起的社會元素，如同微觀世界中的量子，人們也是同樣陷於集體糾纏的困境中。另外，量子量測的順序會影響觀察結果，而在社會科學的現象也常與順序有關，例如問卷調查的順序就會影響分析結果。此外人常在性善與性惡之間徘迴，反而類似量子論的疊加狀態，甚至可以說像薛丁格的貓般，沒有打開箱子之前，惡與善僅是一念之間。量子的影響將不只在科學，而是全面性地改變地球。
雖然量子世紀的正式來臨，仍有段時間，但量子科技革命的巨大浪潮，會把地球從古典地球帶往量子地球的高峰，這也必定是人類史上遠超越工業革命與半導體革命總和的巨浪。量子世紀元年就在不遠處等待所有的讀者，本書也是搭上開往量子地球的最優惠車票。

目次
推薦序　從古典世界進入量子世界　張慶瑞
導論
第一章　何謂量子計算？
第二章　化不可能為可能
第三章　指數威力
第四章　破解密碼
第五章　模擬自然
第六章　量子前景
名詞解釋
注釋
中英名詞對照

導論
位於田納西州橡樹嶺國家實驗室，名為「高峰」之IBM超級電腦的重量是藍鯨的三倍，占據了兩座網球場的空間。它有兩百一十九公里長的線路，每秒可以執行超過三千億次的計算。二○一九年六月，它連續兩年成為世界上最快的超級電腦。
但大約在「高峰」獲得此一美譽的同時，它卻悄悄地被迎頭趕上。超越它的既不是勢均力敵的美國競爭對手超級電腦Sierra，也不是廣受吹捧、在二○二一年全面上線時估計其能力將超越「高峰」的日本超級電腦「富岳」。打敗「高峰」這部巨大機器的，原來是存放在加利福尼亞州聖巴巴拉海灘附近一間小型私人研究實驗室中、只有指甲大小的晶片。
這個名為「美國梧桐」的量子晶片，是由搜索巨擘谷歌的研究人員開發出來的。它構成了量子電腦（一種全新的、根據量子物理定律運行的、全然不同類型的設備）的核心部分。
量子電腦潛力無窮，最終可以徹底改變從人工智慧到新藥開發的一切。一部量子電腦可以幫助創造高效能的新材料、提升對抗氣候變遷的鬥爭，並完全顛覆保護我們隱私安全的加密技術。正如Discover 雜誌在該項研究之初所說的那樣，量子電腦「與其說是機器，不如說是一股自然力量。」
如其潛力得以充分發揮，這種設備將不僅是現有電腦更強效的版本，而且還以完全不同的方式運作，以至於能夠完成看似不可能的任務。這是因為其優勢和我們大多數人對宇宙的理念完全不同。如果不利用稍微模糊的類比，我們很難解釋得通。基於上世紀物理學家對宇宙發展出來全新的、更深入的理解，量子電腦可以有效發展一系列的全新能力。
量子科學家麥可．尼爾森和軟體工程師安迪．馬圖沙克，嘗試將用如下的比喻向一般人解釋此一異常複雜的現象：「試想你在下棋，而規則卻朝對你有利的方向改變，例如擴大『車』這枚棋子的移動範圍。」
此一額外的彈性能讓你更快跳到你想去的位置，因此就能更快將對手打死。
在某些情況下，量子電腦能讓你達成一百萬台超級電腦都無法成就的事。
這種說法絕非誇大，各位大可聽信。我們就要踏入嶄新的科技年代，而在其中，量子電腦將幫助我們開發更高效的旅行路線，讓科學家輕鬆應付科學實驗中的複雜數目。它有可能改變銀行分析風險的方式，也使化學家和生物學家細緻模仿自然世界的現象，並創造出全新的、更高效的材料和程序。威廉．賀利（綽號「胡利」）這位高科技企業家兼Strangeworks 公司（成立宗旨在於讓量子計算科技普及）創辦人表示：「這是有史以來最可觀的科技躍升，未來十年內計算科學發生的改變將勝於過去一世紀的成就。」
直到最近，一直都有人懷疑量子電腦是否真能運作。甚至今天，還是有人不相信實用版的量子電腦真能問世，因為他們認為，生產量子電腦是難上加難的任務，也將面臨工程上、製程上和數學上的挑戰。然而，在過去二十年間，世界上最大的公司（谷歌、亞馬遜、微軟、IBM、英特爾及其他）都爭先恐後在研發可用於日常生活中的量子設備。
二○一九年夏天，谷歌的一組研究人員在投入十年時間嘗試構建量子電腦後，完成了一個被稱為「量子霸權」的創舉。這個術語由物理學家約翰．普雷斯基爾新創，強調量子電腦可完成即使是世上最好的傳統電腦也永遠無法做到的事。
六月十三日，電腦史的里程碑時刻到來，因為當天谷歌的美國梧桐晶片（冷卻到比外太空還冷的溫度）只花三分二十秒便執行完一系列複雜的計算，而若改由超級電腦「高峰」來執行，則要耗上一萬年。這是一個畫時代的壯舉。倫敦帝國理工學院的物理學家彼得．奈特在幾個月後發表一篇研究論文時告訴《新科學家》雜誌：「這項科技實在了不起。這說明量子計算雖難，但並非不可能。這是邁向偉大夢想的墊腳石。」
它標誌了一個關鍵時刻：量子計算從純理論變成真正可行的技術。自谷歌宣布這項成果以來，政府和風險投資家已對此一領域挹注了數百萬美元的資金。
在谷歌內部，他們將這一成就比作萊特兄弟飛機小鷹號首飛這項標誌航空業誕生的創舉。協助設計和製造美國梧桐晶片的谷歌量子硬體工程師東尼．梅格蘭特說：「有些人認為我們所做的事或隨後的步驟根本不可能成功。」其他人則半信半疑。當這項研究正式發表時，谷歌在量子競賽中的一些競爭對手（尤其是IBM）已開始懷疑美國梧桐晶片是否真像這家搜索巨頭聲稱的那樣領先於超級電腦「高峰」。他們認為，谷歌設定的任務過於狹窄和具體，以致無法視為量子霸權。
量子霸權是項巨大的科技成就，可能開啟了「量子時代」的新紀元。然而真正的競賽才剛揭開序幕。梅格蘭特說：「我們在這領域的硬體部分耕耘了十年，這場競賽的起跑點我總是將它設定在某個峰頂，如果你要參加，非得攀上峰頂不可。」
本書要說的就是這場賽跑的故事，同時探討量子電腦如何重塑金融、醫藥和政治領域，以及提升我們認識宇宙的諸多方式。不過我們要先從最基礎的入手。