科學人 8月號/2022 第246期

量子電腦的糾錯法

撰文／納札里歐（Zaira Nazario）、繪圖／摩倫（Alice Mollon）、翻譯／鍾樹人

物理學有一條定律：凡是不禁止的事，就必然發生。因此，錯誤無可避免。任何事物都可能出錯：語言、烹飪、通訊、影像處理，當然還有運算。減少並糾正錯誤能讓社會持續運作。DVD刮花了依然能夠播放；行動條碼（QR code）可能模糊或破損，但還是可以讀取；太空探測船拍到的影像可以傳遞數億公里，看起來依然清晰。糾錯（error correction）是資訊技術當中最為基本的概念。錯誤或許無可避免，但可以糾正。

這條無可避免的定律同樣適用於量子電腦。這些新興機器利用物理學的基本法則，解決傳統電腦難以處理的問題，對科學和商業的影響深遠。但能力越強，弱點越大。量子電腦會出現傳統電腦不會發生的錯誤類型，只靠標準的糾錯技術無法解決問題。

我是在國際商業機器公司（IBM）研究量子計算（quantum computing）的物理學家，但職業生涯不是從這裡開始。我一開始是凝態（condensed-matter）理論學家，研究材料的量子力學特性，例如超導性；當時我渾然不知，這最終致使我研究量子計算。其中的轉折是我中斷了研究，轉任到美國國務院研究科學政策，進而任職於美國國防高等研究計畫署（DARPA）以及美國情報高等研究計畫署（IARPA）。在這兩個機構任職時，我想要利用大自然的基本原理來研發新技術。

當時，量子電腦還在最早期的階段。雖然阿崗國家實驗室的班尼奧夫（Paul Benioff）在1980年就提出概念，物理學家花了將近20 年才打造出第一台量子電腦。又過了10年，在2007年，他們發明了基本資料單元，稱為超導transmon量子位元，是IBM、Google和其他公司製造量子電腦的基礎。因為超導體方面的研究經驗，我突然很受歡迎。我在IARPA協助執行了好幾項量子計算研究計畫，之後加入了IBM。在IBM，我致力於改善使用多個相連的量子位元執行的運算，並探索糾錯法。透過纏結（entanglement）這種量子現象來連結量子位元，可以儲存大量資訊，遠勝過同樣數量的傳統電腦位元。因為量子電腦的狀態是以波的形式存在，可以像光波一樣干涉，比起轉換位元（flipping bit），能產生更豐富的運算樣貌。這些能力讓量子電腦可以非常有效率地執行某些功能，以期加速各式各樣的應用，例如模擬大自然、研究並設計新材料、發現資料中隱藏的特徵來改善機器學習，或是為工業化學製程找到更有能源效率的催化劑。

問題在於，很多解答實用問題的提案，都需要量子電腦在幾百到幾千個量子位元上，執行幾十億次邏輯運算，或稱閘（gate）。要達成這項成果，每幾十億個閘最多只能犯一次錯誤。但今天最強大的量子電腦每1000個閘就會犯一次錯誤。面對實務與理論之間的巨大差距，早期的物理學家擔心，量子計算永遠只會是基於好奇心兒進行的科學研究，難以付諸應用。......

頑童的量子玩具

文/林一平

量子電腦是當今熱門名詞，即便量子電腦仍然在雛型階段，〈第二次量子革命〉卻已經展開，量子電腦的可行性逐漸顯現、量子物聯網將提供更快速而且安全的端點連結以及邊緣運算。這些未來想像的源頭，往往被歸功於物理頑童費曼（Richard PhillipsFeynman）。費曼是很性格的物理學家，常有出人意表的想法。很多人認為量子電腦起源於費曼在1981 年提出的概念，然而費曼只是體認到：數位計算無法模擬大多數量子系統。

做為替代方案，他描述了構建量子系統的量子類比機制（quantum analog）。

費曼的這個量子類比機制在1985 年由杜其（DavidDeutsch）延伸，提出了量子圖靈機（quantum Turingmachine）的模型。這個模型演化為一個可擴展的架構計算機，由具有低雜訊的量子位元組成，因此量子糾錯（QEC）可用於在任意數量的量子位元之間保持一致性。於是量子計算一路發展，促成量子科技的第二次革命。當中有趣的原理及曲折的過程，在〈量子電腦的糾錯法〉有很好的說明。

1974 年霍金（Stephen Hawking）受聘於美國加州理工學院，到那裡進行研究，推想原生黑洞爆炸時可以觀測到γ射線的爆發現象。霍金旁聽了費曼授課，並沿用費曼的「歷史求和」（sum-over histories）構想，以創新手法鑽研種種宇宙起源的可能學說。霍金對宇宙膨脹有深入研究，影響可見〈宇宙級張力激辯〉。該文生動敘述了不同研究團隊，對於宇宙膨脹速率、宇宙中物質密度參數的估計值出現歧異，讓宇宙學陷入「張力」氛圍。

還有一場攸關科學教育的激辯，正在美國展開。〈受產業操弄的氣候教育〉報導了德州石油與天然氣產業積極介入科學教育課綱，影響將擴及全美的幼兒園到中學的科學課程與教科書。

科學與教育遇上政治與產業，該怎麼抉擇？費曼說：「現實必須優先於公共關係，因為我們騙不了大自然。」（Reality must take precedence over public relations, for Nature cannot befooled.）

關於封面

量子電腦具有強大的計算能力，但無可避免發生錯誤，傳統糾錯法會摧毀量子資訊。科學家從發明新糾錯方式、錯誤緩解等方向著手，為求進展，短時間內必須在理論與工程之間取得平衡，才能開拓量子電腦的未來。

物理學
38 量子電腦的糾錯法
文／納札里歐（Zaira Nazario）
量子電腦有能力解決傳統電腦難以處理的計算問題，但在計算過程中會出現傳統電腦不會發生的錯誤，因此需要嶄新的糾錯技術。

物理學
46 第二次量子革命
文／張慶瑞
我們必須使用量子計算，才能造福下一代的未來。

神經科學
52 大腦由內而外認知世界
文／布薩奇（György Buzsáki）
大腦探測外在環境，只選出有利生存繁衍的必需資訊，繼而採取行動。

教育
60 受產業操弄的氣候教育
文／沃斯（Katie Worth）
美國德州石油與天然氣產業成員介入科學教育課綱的修訂，影響力波及全美中學的科學課程與教科書。

天文學
68 神秘閃爆謎中謎
文／曼恩（Adam Mann）
20多年前意外偵測到的快速電波爆發，如今成為研究焦點。科學家在探索其複雜難解的源頭時，也驚訝地發掘出更多新現象。

古生物學
72 哺乳類崛起之路
文／布魯賽特（Steve Brusatte）
哺乳動物在恐龍的「陰影」下生存很長一段時間，直到小行星猛然砸落，撞亂了原本的演化方向，優勢物種自此大洗牌，開啟往後6600萬年的哺乳動物盛世。

宇宙學
82 宇宙級張力激辯
文／阿拿瑟斯旺米（Anil Ananthaswamy）
關於宇宙膨脹速率和宇宙中物質密度參數兩個估計值，不同研究結果都出現矛盾。新觀測利器加入後，這場關於宇宙本質的辯論將形塑未來十年宇宙學的樣貌。

發行人的信
1 如果沒有奇蹟，《科學人》紙本雜誌年底停刊 文／王榮文

科學人觀點
8 生態工程師：東南囊鼠真農夫？ 文／曾志朗

總編輯的話
10 頑童的量子玩具 文／林一平

12 讀者論壇

14 科學人新聞
城市高溫地圖｜衛星高光譜視野｜奇異筆頭採樣棒｜雄蛛「跳」脫死亡交配｜唾液腺中的神秘細胞｜磷蝦磷蝦成群游｜芋螺毒液合成胰島素｜科學剪影｜致命絞纏 蛇之呼吸｜大氣又熱又渴｜一覽世界科技進展｜食性看恐龍分佈

形上集
30 承認錯誤 文／高涌泉

教科書之外
32 人類基因體2.0 文、圖／陳文盛

談心說理
34 為何環保行為不易落實？ 文／曾祥非

機器思維
36 電腦科學理論之父──圖靈 文／林一平

專家看新聞
90 群眾募資救不了所有人 文／肯沃西（Nora Kenworthy）、伊格拉（Mark Igra）

科學佐以詩文
92 談可見光 文／肯恩（Donna Kane）

健康與科學 94 精神疾病增加失智風險 文／華立斯（Claudia Wallis）

攸關心智
96 鼓勵孩童發問 文／古德（Kayla Good）、蕭（Alex Shaw）

科學焦點
98 科研傷了氣候 文／歐瑞斯克斯（Naomi Oreskes）

科學人書摘
100 病毒與我們共生 文／摘自《病毒圈》

科學人關鍵字
104 量子位元 文／彭琬芸

圖表會說話
106 失控的天氣 文╱莫斯柯維茨（Clara Moskowitz）、圖表╱克利斯提安森（Jen Christiansen）

《科學人》雜誌－全球科普雜誌第一品牌

自2002年創刊以來共11年榮獲出版界最高榮譽雜誌出版金鼎獎！身為全球科普雜誌的第一品牌，《科學人》一直領先報導全球最先進的科學脈動與產業趨勢，除生命演化及天文奧秘的探索外，也包括成就未來經濟創新的各種工具：「NBIC，Nano-Bio-Info-Cogno（奈米科技、生物科技、資訊科技與神經科技）」，及其聚合衍生的「長壽醫學」、「未來能源」、「淨化科技」、「即時通訊」、「人工智慧」及「前進太空」等產業趨勢內容。除了原Scientific American文章精確編譯外，台灣延伸企劃採訪篇章更佔40%以上，藉由淺顯易懂的編輯呈現方式，帶給產業精英、知識家庭、高中及大專院校師生最具未來性的知識力。

《科學人》雜誌即將於2017年2月滿15週年！15年來，在「廣」的方面，《科學人》月月帶給台灣讀者科學新知、科學新聞、重要科學研究；而在「精」的方面，《科學人》推出15週年特別獻禮：「博學誌」系列文集，滿足您在單一領域更深入、更全方位的知識渴望。

「博學誌」系列文集

問，時間為何物？（2016/9/20全新出版） 台灣大學物理系教授 高涌泉 專文導讀

窺探大腦（2016/10/20修訂版）  中央研究院院士 曾志朗 專文導讀

發現天文之美（2016/11/20修訂版） 國立自然科學博物館館長 孫維新 專文導讀

掌握數位生活（2016/12/20全新出版） 台灣大學資工系教授 林守德專文導讀 活靈活現動物行為（2017/1/20全新出版）金鼎獎科普作家 張東君 專文導讀