“量子计算机座落在2.3米高的玻璃框架内，看起来就像是一件艺术品。”媒体赞叹着。2019年CES展中，IBM展示了全球第一台商用量子计算机IBM Q System One，让外界对于IBM量子计算机的真实面貌与美丽外型留下深刻印象。IBM还预计在美国纽约开设“量子运算中心”，成为世界上少数几个拥有运营量子运算技术能力、基础设施和专业知识的地方。
第一章‧滥觞——摩尔定律的瓶颈
在量子计算机真正大量进入我们的生活前，倒是先进入了电影与小说场景。以《达文西密码》闻名全球的推理小说家丹布朗（Dan Brown）2017年作品《起源》，就提到科技怪客艾德蒙以量子计算机运算出生命起源；2018年漫威电影《蚁人与黄蜂女》与今年的《复仇者联盟4》也都以量子领域为重要的故事元素。
不过，以量子特性打造出的计算机，并非仅能出现在科幻电影之中，事实上量子芯片雏形已经出现当地球上了，领航者包括IBM、Google与Intel等科技巨头，也有D-wave等创业公司。
量子计算机也是欧美政府相当重视的技术。2016年，欧盟发布了量子宣言（Quantum Manifesto），启动量子技术旗舰计划；创业风气盛行的美国硅谷，量子计算机就是当红的投资题目，中国则是发射了量子科学实验用卫星墨子号上太空。台湾科技部编入每年7,000万元预算到量子计算机基础研究，以培养未来的人才。
各国重视的原因，在于这将是量子力学的二次革命，“1957年晶体管的发明（带动现代半导体产业蓬勃发展），只用到简单的量子力学，现在的量子计算机，利用量子的纠缠性与叠加性等物理现象，带动量子力学的第二次革命。”台大IBM量子计算机中心主任张庆瑞在“科创讲堂”演讲中指出。
理论上，这个革命可以带来庞大的运算威力，因为在相同进制数比较之下，量子计算机的运算速度是传统计算机的2的n次方。也就是说，在短短几秒中，量子计算机就能解开现在超级计算机要花上几万年才能解开的问题，快如闪电。
一台拥有50量子进制的量子计算机，可以超越世界上最强的超级计算机运算力！也就是说，超级计算机得花几万年解开的问题量子计算机只要几秒钟。“量子计算机的威力将等同于二战时的核弹技术。”美国右派智库言明。虽然，量子计算机还在初步发展，就算是乐观估计，都还需要5年以上的发展时间，才会大量地展开商业应用，但量子计算机庞大的运算威力可能对国防安全带来毁灭性的影响，让各国政府不敢小觑。
到底量子运算是什么？成大物理系特聘教授张为民在〈量子科技时代的来临〉一文指出，“在量子科技的世界中，人们完全抛弃传统信息处理器的概念，即抛弃利用晶体管控制电流开关来实行数字化的手段，而是用量子叠加态处理信息的数字化，并用量子纠缠实现并行计算。”
量子纠缠的特性比光速还要快，还被爱因斯坦形容为“鬼魅似的远距作用（Spooky action at a distance）”，因而增添不少玄妙色彩。除了国防安全需求，量子计算机的热潮也与半导体界著名预测：摩尔定律（Moore’s law）的瓶颈有关。
摩尔定律为Intel创办人之一摩尔（Gordon Moore）在1965年提出，内容为集成电路中的晶体管数目，每隔12个月就会增加1倍；而后摩尔修正了模型，改为单位面积芯片上的晶体管数量每2年就能增加1倍。
若换算为成本，意指即每隔2年，集成电路成本可降低5成。不仅Intel，整个全球半导体业在这50多年来，大致依循摩尔定律增加晶体管的数目。
不过，晶体管未来可能遭遇到物理瓶颈，台大电机系副教授李峻霣指出，“随着摩尔定律的进展，晶体管越变越小，其氧化层也会越来越薄……有可能产生闸极漏电流，影响原本的晶体管性能。”此外，业界也担忧芯片制造成本过于昂贵的问题。
IBM
虽然，摩尔定律仅是一个技术发展预测，不是严谨的科学定律，但也让人不禁想问，摩尔定律过完50岁生日后，还能继续走多远？
摩尔定律的极限，让半导体企业从3D芯片设计、石墨烯等硅材料替代品与硅光子组件等各种方向，找寻计算机芯片的未来，量子计算机也是新方向之一。业界探讨，或许量子计算机有可能解决摩尔定律的瓶颈。
“摩尔定律最大的意义是成为全世界半导体公司的监督者。”台积电创办人张忠谋指出。台大电机系副教授李峻霣在〈浅谈晶体管〉一文中也赞同，“摩尔定律引领美、日、台、韩等国这50年来的半导体技术走向，驱使全球半导体工业甚至学术界不断研究半导体特性、组件物理与制作技术。”
不过张忠谋预测，“摩尔定律在技术上可行，晶体管密度还是会翻倍增加，可以持续到2030年，但业界会在2030年前就会先遭受到“经济成本”太高的挑战。”
国际研究暨顾问机构Gartner曾统计，以7纳米技术而言，SoC（系统单芯片）的总设计成本将增加至2亿美元。
“如果10纳米芯片产量低于1,000万片，分摊到每个芯片成本就高达100美元。以此推测估计七纳米以下制程，若良率与产出无法提升，单颗芯片成本将十分高昂。”工研院产科国际所产业分析师刘美君坦言。
至于量子计算机与古典计算机的运算力差异有多大？台湾大学IBM量子计算机中心主任张庆瑞在一场演讲中举例说明，“如果每次走1米，走30次后可以走多远？
传统计算机的走法是1×30，结果是30米；量子计算机则是2的30次方，约等于绕地球26圈。这种“指数增长”便是量子计算机的威力。”
从理论上来看，一台50个量子进制的量子计算机，就能超越世界上最强的超级计算机运算力！量子计算机可能带来的极大运算力，已经成为Intel、IBM、Google及微软（Microsoft）等世界科技巨头竞相研发的领域。
第二章‧科技巨头竞赛——Google取得先机
量子进制数量是这些公司的竞逐重点。Google目前研发出72量子进制数芯片Bristlecone（狐尾松），成为现今量子进制数最高的纪录保持人，而Intel与IBM则分别以49个与50个量子进制紧追在后。
在2019的CES大会上，IBM还发布20个进制的量子计算机IBM Q System One，并宣布将在2019年于纽约开设首个IBM Q量子运算中心。
目前量子计算机还在非常初期的研究阶段，外界对于量子计算机的终极影响力还不清楚，较为具体的认知是可能对于“制药动力学”、“机器学习”等领域带来革命性影响。在众多领域其中，业界已经公认量子计算机在加解密领域将带来巨大的影响。
科技部前瞻量子科技研究中心计划主持人、清华大学物理系教授牟中瑜指出，量子计算机还在研究初期，因此业界都在找寻什么样的问题适合适量子计算机？“量子计算机并非无所不能，量子计算机和我们手边的计算机系统完全不同，要针对“特别的”问题才有优势。就像我们不会使用超级计算机做极为简单的加减乘除一样。”
哪些特别的问题呢？目前已经有量子因式分解算法（Shor’s algorithm）证明，可以运用量子计算机有效地进行大数值的因式分解，与量子搜索算法（Grover’s algorithm）等算法出现，让量子计算机目前在这两大应用领域中充满优势。
“Shor量子因式分解算法是以量子力学为工作原理，与古典算法的逻辑完全不一样。”台大物理系教授管希圣在〈浅谈量子信息与量子计算〉一文中写到，“以因式分解一个300位数的半质数为例，若以古典的算法约需要10的24次方个步骤，以运算速度为10的12次方Hz的计算机计算，若每一步骤需要一个周期，则需要15万年解决，但若以量子的算法去做因式分解，则不到一秒！⋯⋯而Grover的量子搜索算法之搜索次数则只需要约古典算法搜索次数的平方根。所以同样一个问题，古典算法需要约数十万次的搜索次数，而量子算法只需约一千次。”
量子计算机和传统计算机在组件上有很大差异，首先量子计算机需要微波发射器或电磁脉冲发射器，发射微波或电磁脉冲，再利用超导材料作为线材传递信号，并且回收信号进行运算测量。
其次，量子芯片需要放置在接近绝对零度的冷却器中。第三，现今的传统计算机芯片需要和内存协作分工才能完成计算任务，但量子计算机的计算流程中，不一定需要内存。
在造价方面，以清大实验室的2进制量子计算机为例，总经费（不含芯片制造成本）约为3,000万元，最昂贵的就是大型冷却器，成本约1,500万元，占总费用一半。
1)_冷却塔2)_微波发射器与电磁脉冲发射器
3)_2进制电子芯片
4)_超导管线“我们生活中普遍使用的RSA密码就是植基于“将很大的数字N作质因素分解是困难的”这件事，但Shor量子算法将质因素分解变得非常容易。因此量子计算机将对RSA加解密系统带来毁灭性影响。”趋势科技安全研究群核心技术部资深协理张裕敏指出。
若业界真正制造出量子计算机，并且利用量子验算法快速破解因式分解，那现今我们用的RSA加密就形成虚设，这也是为什么军事国防、金融及安全业，对于Shor量子因式分解算法的威力特别看重。
不过，量子计算机在十年后取代我们的手机的可能性不高。
第三章‧前进未来世界——待突破的2大挑战
牟中瑜认为，“20年内量子计算机成为个人计算机的可能性极低。量子计算机在初始，会与一般计算机一起以混合运算形式存在，如IBM Q System One就是通过古典计算机控制量子计算机，而且由于量子计算机必须在接近绝对零度（约摄氏-273度）的极度低温环境中，量子芯片也得在大型的冷却设备内运行，我们很难随身携带这么大个冰箱出门，因此量子计算机在初期会以云计算运算（Cloud Computing）方式提供服务。”
而且量子计算机也未必会在我们的生活中呼风唤雨，因为技术制造还有重重挑战。牟中瑜就指出，以目前最受欢迎的量子闸派别技术来看，Google虽然指称已经造出72个量子进制的处理器，但光拼“数量”还不够，还需要高品质的量子进制，才能提高运算精确度。
因此目前的量子计算机都需要加入“调试”机制，也就是说，一个量子进制，可能需要配上3至4个用来调试的量子进制，才能够提高量子进制的总体品质。
“也因此理论上1,000个进制的计算机，在实际执行上，可能需要成千上万个量子进制才能做出精确的运算，以目前的技术来看，20年都不一定做得到。”牟中瑜说。
另外，量子状态虽然很神奇，但却有个“玻璃心”，很脆弱。量子状态存在的时间很短，连一秒钟都不到，在这个电光火石的短短时间，就要利用这些进制运算完毕，并测量全部的量子进制找出答案，这也是一大技术瓶颈。
由于以上两大技术困难，现阶段来说，很多科技业界大佬对于量子计算机没有太多期待。超微（AMD）首席执行官暨总裁苏姿丰接受《数字时代》采访时就指出，现在还看不出来量子计算机在未来半导体产业中，是扮演重要角色或只是小小的配角，因此对AMD来说，现阶段帮摩尔定律“延寿”（举例来说，利用各种技术延长摩尔定律的时间，如芯片的3D集成技术）更为重要。
全球内存大厂美光也抱持雷同看法。“美光对于重要的新兴科技都有投入研究资源，量子计算机也是美光研究领域之一，不过，现在要谈论此对半导体界带来的影响性都还太早。”美光运算与网络业务部门资深副总裁暨总经理Thomas T.Eby指出。
广达计算机创办人林百里也说，“量子计算机是一定会做这件事，但现在讲太远。”他强调，“量子计算机是最高速运算，不容易用在商业上，这种超超高速运算，或许是用在黑洞观测上，一般商业应用其实用不到。”