量子計算解釋：量子位元如何運作及為何現在很重要

傳統電腦在位元中儲存資訊，位元要麼是0要麼是1，就像一個開關是開或關。量子電腦則使用量子位元，根據IBM官方量子計算解釋，量子位元可同時表示0、1或兩者的加權組合。這個特性稱為疊加態，是量子機器能同時探索特定問題的許多可能答案而不是逐一探索的原因之一。

機器背後的物理學

IBM認出使量子計算成為可能的四個量子力學效應：疊加態、糾纏、干涉和退相干。糾纏將量子位元連結起來，使得測量一個量子位元能洩露另一個的信息，即使兩者物理上分開也是如此。干涉讓量子迴路能放大正確答案並消除錯誤答案，就像重疊的波可以相互強化或相消一樣。退相干是相反的效應——量子態崩潰為普通的經典值——它是工程師必須抑制的主要障礙，以保持量子處理器有用，根據IBM。

量子位元可以由幾個物理系統建構，包括冷卻至接近絕對零度的超導電路、被困的離子、量子點和光子。IBM自己的量子處理器依賴超導電路，因為它們可以用現有的芯片製造技術製造和控制，IBM聲稱。

可驗證的優勢：Google的Willow芯片

2025年10月22日，Google宣布其105量子位元Willow處理器根據Google官方部落格文章，使用名為Quantum Echoes的算法產生了該公司所稱的第一個可驗證量子優勢。該算法將信號發送到一組量子位元，擾動其中一個，然後反轉信號的演變以聽取由建設性干涉產生的放大「回聲」。

Google報告Quantum Echoes在Willow上的運行速度比世界上最快的超級電腦上已知最佳經典算法快13,000倍。該公司強調，不同於其2019年量子優越性聲明，此結果是「可驗證的」——它可以在可比較的量子硬體上重複，並進行交叉檢查，而不是依賴於沒有獨立方式確認輸出的取樣任務。

與加州大學柏克萊分校的研究人員合作，Google使用該算法研究來自含15和28個原子分子的核磁共振（NMR）信號，指向藥物發現、電池材料和新量子位元設計中的可能未來應用，根據同一Google公告。

IBM從「實用性」到容錯的路徑

IBM區分了幾個進展階段。該公司表示它在2023年達到了「量子實用性」，意味著其量子處理器在特定任務上的性能超過經典近似方法。根據該公司自己的量子計算概述，IBM表示預計在2026年底之前達到「量子優勢」——在實際問題上超越所有已知的經典方法。

除此之外，IBM已發布了一份朝向容錯量子計算的路線圖，其中錯誤在損壞計算之前被檢測和糾正。該路線圖描述了2025年發布的名為Quantum Loon的芯片，具有增加的量子位元連通性，用於高速率qLDPC碼的概念驗證實驗，計畫於2026年使用量子低密度奇偶檢查（qLDPC）記憶體儲存信息的名為Quantum Kookaburra的模塊，以及針對2029年的名為Starling的系統，IBM表示應該在200個邏輯量子位元上運行1億個量子門。IBM的錯誤糾正方法使用它所謂的「二變自行車碼」，包括一個「[[144,12,12]]總碼」，該公司表示需要的物理量子位元比早期表面碼方法少大約十倍以達到相同的錯誤保護。

為什麼加密已經在被重寫

量子電腦之所以在實驗室外重要，是因為Shor算法，這是Peter Shor在1994年發表的數學方法，顯示足夠強大的量子電腦可以分解大數字——從而破壞廣泛使用的RSA風格加密——比任何經典電腦快得多，根據IBM的概述。

這種風險對標準機構來說不是假設的。2024年8月13日，美國國家標準與技術研究院（NIST）完成了其前三個後量子加密標準：FIPS 203（ML-KEM）用於一般加密，以及FIPS 204（ML-DSA）和FIPS 205（SLH-DSA）用於數位簽名，根據NIST的官方公告。NIST數學家Dustin Moody表示組織應該「立即開始將它們整合到他們的系統中，因為完全整合將需要時間。」

量子電腦不是什麼

IBM的材料強調量子電腦不是普通電腦的簡單快速版本；它們適合於特定類別的問題——例如模擬分子、化學反應以及某些優化或機器學習任務——其中相互作用變數的數量對經典電腦來說增長得太大而無法有效追蹤。對於文字處理或網路瀏覽等日常任務，經典電腦仍然更實用。