用最簡單的例子告訴你:什麼是量子電腦?
用最簡單的例子告訴你:什麼是量子電腦?

我們都經常聽到量子電腦(Quantum computer)是未來的趨勢,但量子電腦究竟是什麼?CS Dojo YouTube頻道創辦人YK Sugi參觀了知名量子電腦公司D-Wave Systems後,提出一個簡單例子,讓不熟悉量子物理或電腦科學的人也能理解量子電腦的概念。

不論傳統電腦或量子電腦,包含數字、文字、圖片等所有訊息都使用一系列0和1表示並儲存。傳統電腦中,最小儲存單位稱為位元(bit),而量子電腦中,最小儲存單位稱為量子位元(qubits)。

但除了名稱差異,量子位元和位元究竟有何不同?讓我們這麼說吧;每個位元都是0或1,但每個量子位元都可以是0和1。如果還是難以理解,我們不妨從以下的數學例子來理解兩者的差異。

假設你經營一家旅行社,必須安排團員從一個地方移動至另一個地方,為此你預訂了2輛計程車,現在必須規劃如何分配座位。為了確保旅程氣氛和樂,你希望透過座位分配達成兩個目標:最大化同輛車的朋友數量,同時最小化同輛車的敵人數量。

為了保持題目單純,讓我們先假設團員只有3個人──Alice、Becky和Chris,而你所知道的3人關係如下:

  • Alice和Becky是朋友
  • Alice和Chris是敵人
  • Becky和Chris是敵人

在如此單純的條件下,許多人大概不需要電腦就能隨手算出最好的分配解答,儘管如此,我們還是先來看看傳統電腦和量子電腦解決問題方面的差異。

計程車分配問題:傳統電腦

要說明傳統電腦如何解決這個問題,我們就必須先理解電腦如何用位元儲存訊息。

首先,我們將兩台計程車分別設定為「#1」和「#0」,這樣就能用3個位元表示分配座位的各種情況。當不考慮計程車搭乘人數的上限和下限,每個人都有2個選擇,因此共有2的3次方=8種方法將這組人分成兩輛車。

三人搭計程車的所有可能組合.png
三人搭計程車的所有可能組合。
圖/ 科技新報

為了確定哪種組合是最佳解決方案,我們必須先定義如何計算每項組合的「分數」,才能比較每個方案達到目標的程度。這裡我們先簡單地定義分數如下:

  • (朋友共享同一輛車)-(敵人共用同一輛車)=得分

在這個定義下,假設3人都進入出租車#1(位元表示為111),配置的總分便為1(Alice和Becky)-2(Alice和Chris、Becky和Chris)= -1。

使用傳統電腦時,你基本上需要列出並計算完所有組合,確定哪個得最高分才能獲得最佳解答。在這個問題中,所有組合的分數情況如下:

得分為1的001和110是兩個最佳解答.png
得分為1的001和110是兩個最佳解答。
圖/ 科技新報

由於問題相對簡單,傳統電腦很快就能解決,但如果人數增加呢?3個人有2的3次方種組合,4個人就需要2的4次方種組合,不考慮計程車能否容納的問題之下,如果有100個人,我們就需要2的100次方種組合,傳統電腦無法解決這種問題。

但如果使用量子電腦呢?解釋如何處理100個人的問題之前,我們先回到將3人安排分搭2輛計程車的情況。

計程車分配問題:量子電腦

正如先前提到的,這個問題有8種組合,運用一般電腦時,3個位元一次只能代表一種可能性(像是001、101),但使用量子電腦,只要3個量子位元就可以同時代表8種可能性。

簡單來說,當你將第一個量子位元設定為0和1時,就有點像創造2個平行世界。其中一個世界,量子位元為0,另一個世界量子位元為1,當你再將第二個量子位元設為0和1時,這就像創造了 4 個平行世界。

這種思考方式或許有些奇怪,但能稍微解釋量子位元在現實世界的行為方式。

與傳統電腦用位元列出所有 8 種可能性的情況不同,當您對這 3 個量子位元應用某種運算時,實際上是同時在 8 個平行世界應用相同計算,同時計算所有方案的得分。

當然,你還是得讓量子電腦學會用量子位元表示所有潛在解決方案,同時將每個潛在解決方案轉換為分數,一但做到這兩件事,量子電腦便能在幾毫秒內提供最佳解決方案之一。在3人計程車問題,答案便是001或110。

然而儘管理論上來說,量子電腦每次運算都會提供最好解決方案之一,但量子電腦實際運算有一些錯誤。它可能提供第二好或第三好的解答,隨著問題越來越複雜,這些錯誤也就變得更明顯。

因此實用時,你可能必須在量子電腦進行相同運算數十次或數百次,然後從獲得的眾多結果選出最好的一個。

處理大量計算的優勢

儘管有這些錯誤,量子電腦還是有強大的優勢。因為和傳統電腦不同,面對需要龐大計算量的問題時,量子電腦並不會有擴展問題。

由於量子電腦同時計算所有組合搭配的分數,因此當有3個人時,需要執行的次數為1,4個人時次數仍為1,即使數字增加至100人,操作次數仍然是1。透過一次操作,量子電腦會同時計算所有2,100種組合的分數。

當然因為有前述提到的問題,實際應用時為了得出最佳結果,最好還是操作量子電腦數十次或數百次,並從眾多結果中選擇最好的一個。

儘管有些麻煩,但仍比傳統電腦運算相同問題,得重複與結果數相同的計算次數要好得多。以100人計程車問題來說,這個數字大概是1百穰次。

本文授權轉載自:科技新報

關鍵字: #量子電腦
往下滑看下一篇文章
台灣普立茲克獎建築最新群聚地!台中如何打造「世界級質感城市」?
台灣普立茲克獎建築最新群聚地!台中如何打造「世界級質感城市」?

建築界最高榮譽「普立茲克獎」(Pritzker Architecture Prize)得主作品齊聚台中,成就質感新版圖!除了揚名國際的東海大學路思義教堂(貝聿銘設計)、台中國家歌劇院(伊東豊雄設計)外,今年12月將迎來妹島和世、西澤立衛的「綠美圖」開館,安藤忠雄的「童書之森.台中」也預計於明年啟用!

目前台中已累積10件普立茲克獎建築,近期除了綠美圖、童書之森開花結果,還有民間企業及大學,邀請理查.邁爾、RCR 建築事務所、法蘭克.蓋瑞等大師到台中揮灑靈感,共同打造詩意的城市。究竟台中市府如何突破傳統、打造新世代的質感城市?讓我們一起來揭開世界建築大師作品選擇台中的關鍵!

競圖制度開啟建築新紀元 重塑城市新風貌

1963年,貝聿銘為東海大學設計了一座極具象徵性的「路思義教堂」,種下了與世界建築對話的種子,讓台中成為台灣面向現代國際建築的門戶。

半世紀後,伊東豊雄設計、被視為全球最難蓋的建築 「台中國家歌劇院」,歷時約10年終於完工。這座建築,不僅成為城市新地標,讓全世界重新認識台中,也象徵公共建築思維邁入新階段,展現市府採行國際競圖制度的決心。

由市府主導的國際競圖模式,逐漸成為台中重大建設的常態。開放、競爭的機制,讓建設不取決於預算、成本的妥協,而是讓世界建築大師願意在台中激發火花,讓創意真正落地。透過嚴謹的國際評審制度、公開徵選流程,也讓建築品質受到層層把關,建立起公共建築與市民的信任關係。

圖片3_0.jpg
「童書之森.台中」以「為未來孵的蛋」為核心概念設計,象徵未來主人翁的孵育。
圖/ 台中市政府

市府跨局處動員 讓最好的公共建築生根茁壯

台中氣候宜人、工商業蓬勃發展、地理位居台灣南來北往的樞紐,持續吸引人口移入。適當的土地分區規劃,使台中的空間尺度得宜,不顯擁擠,也不感疏離。在水文、綠意串聯的城市網格中,建築不僅是功能性的設施,還能思考、對話、共感而生長其中;這樣的城市環境,也讓建築師願意與台中對話。

位於水湳經貿園區的「台中綠美圖」今年底即將開幕,這座由日本代表性雙人建築師組合──妹島和世、西澤立衛所創立的 SANAA 事務所設計,以輕盈、通透 的語彙串聯八棟建築,並巧妙融合建築與綠意、風與光的周邊環境。

此外,由安藤忠雄設計的「童書之森.台中」,今年5月正式動工,並預計明年完工。這座圖書館坐落於台灣大道秋紅谷旁約1,600坪的精華基地,以「為未來孵的蛋」為核心概念設計,運用安藤忠雄代表性的清水模與極簡線條,融入森林地景;內部以環繞式書牆設計,打造360度的知識森林。

這兩座由普立茲克獎公共建築的誕生,背後仰賴台中市府團隊多年的通力合作!包含文化局的長期規劃與溝通、都市發展局的都市設計與土地整合、建設局的工程統籌等,各局處戮力合作,體現出台中對城市建設的高度企圖,並致力讓最好的建築在這座城市生根茁壯。

atl_25711_20250504133434_237_0.jpg
今年動工的中醫大美術館,將為台中創造更豐沛的藝術能量。
圖/ 中國醫藥大學

市府團隊領航 讓「大師建築」成為市民日常

當市府持續引入國際建築語彙,民間也逐漸興起風潮!亞洲大學邀請安藤忠雄設計「現代美術館」,已成為大學美術館的指標。中國醫藥大學則分別邀請「普立茲克建築教父」法蘭克.蓋瑞(Frank Gehry)及西班牙 RCR 建築事務所設計水湳校區的「美術館」、「體育館」,讓學院建築不僅擁有理性機能,更融合藝術帶來新面貌。

此外,富邦集團先後邀請伊東豊雄、理查.邁爾(Richard Meier)設計「天空樹」、「台中文心辦公大樓」、「市政富邦」等,讓國際建築語彙融入商辦、住宅設計,讓「設計感」不再只是公共建築的專利,而是逐漸滲入日常,改變市民的生活樣貌。

國際級大師鉅作匯聚台中 讓世界看見城市新高度

近年來,不僅普立茲克建築大師作品匯聚台中,還有隈研吾國際建築大師,打造「台中巨蛋」、「勤美術 館」等代表性地標,台中國際級建築版圖不斷擴大!隨著綠美圖、童書之森、中醫大美術館等地標接連誕生,從孩童的第一本童書、到長者的藝文散步,台中城市的每個角落都被美學悄悄改寫。

台中不只是頻獲國際建築作品的城市,更在一棟棟建築中,實踐著市長盧秀燕「幸福宜居」的願景。未來,這座城市將持續以藝術與建築為媒介,讓美感成為生活的一部分,也讓世界看見台中的溫度、深度與嶄新的高度。

[台中市政府新聞局廣告]

登入數位時代會員

開啟專屬自己的主題內容,

每日推播重點文章

閱讀會員專屬文章

請先登入數位時代會員

看更多獨享內容

請先登入數位時代會員

開啟收藏文章功能,

請先登入數位時代會員

開啟訂閱文章分類功能,

請先登入數位時代會員

我還不是會員, 註冊去!
追蹤我們
進擊的機器人
© 2025 Business Next Media Corp. All Rights Reserved. 本網站內容未經允許,不得轉載。
106 台北市大安區光復南路102號9樓