從零到量子

疊加

在量子水準上，物理系統可以同時以多種狀態存在。在系統被觀察或測量之前，系統會同時佔據所有位置。量子力學的這一核心原理能讓量子電腦利用系統的可能性，而所有可能的結果同時存在於運算之中。在量子運算的情況下，被使用的系統可以是光子、被捕獲的離子、原子或准粒子。

干擾

量子態可以干擾其他量子態。干擾可以采取消去振幅或提高振幅的形式。一種將干擾視覺化的方法是想像同時將兩塊石頭扔到水中。當每塊石頭形成的波浪穿越傳播路徑時，就會在漣漪中形成更強的波峰和波谷。這些干擾模式能讓量子電腦執行與經典電腦完全不同的演算法。

糾纏

在量子水準上，粒子等系統相互關聯，即使距離很遠也能反映彼此的行為。透過測量一個糾纏系統的狀態，量子電腦可以“知道”另一個系統的狀態。例如，在實際應用中，量子電腦可以透過測量電子A的自旋來瞭解電子B的自旋運動，即使電子B在數百萬英里之外。

量子位元

在經典運算中，運算是由被稱為位元的二進位檔案組合而成的。這是經典運算局限性的基礎：運算是用一種在任何指定時間只能有兩種狀態之一（0或1）的語言編寫的。在量子運算中，運算是用量子態的語言編寫的，量子態可以是0或1，也可以是疊加的0或1的任何比例。這種類型的運算訊息被稱為“量子電腦位元”或量子位元（Qubit）。

量子位元具有能讓訊息在系統內實現指數級增長的特性。在多個狀態同時作業的情況下，量子位元可以編碼大量訊息——遠遠超過經典位元。因此，很難誇大量子的運算能力。經過組合的量子位元的運算能力增長速度比經典運算快得多，而且由於量子位元不像處理晶片那樣佔用物理空間，因此透過一些測量，更容易獲得無限的運算能力。

量子電腦的類型

對量子運算的理解依賴於對決定量子運動行為、位置和關係的原理的理解。

無論是什麼類型，量子運算硬體都與和超級運算相關的伺服器陣列有非常大的差異。量子運算需要將粒子置於某些環境，在這些環境中粒子可以被測量但不會被周邊粒子改變或破壞。在大多數情況下，這意味著將電腦本身冷卻到接近絕對零度，並使用金層保護量子位元粒子免受噪音的影響。由於當前的量子電腦需要如此精細和精確的條件，因此必須在高度專業化的環境中來製造它們。

如今，數位加密的一種主要形式是RSA（Rivest-Shamir-Adleman），通常被稱為公開金鑰加密。Rivest、Shamir和Adleman於1977年首次描述RSA演算法，甚至幾十年後，它仍然是一個極為強大的、經過驗證的加密系統。

RSA基於兩個數位金鑰，這兩個金鑰相結合，形成一個大素數。經典電腦可以很容易地將兩個已知數字相乘來運算一個素數，但其反向運算對於經典電腦來說是個難題。經典電腦很難使用暴力二進位運算從素數中推導出兩個因數。簡言之，當前的RSA演算法本質上是牢不可破的密碼，因為即使是最強大的超級電腦也無法在任何合理的時間內運算金鑰的值。最快的超級電腦大約需要300萬億年才能破解現有的2048位元RSA加密。

而這就是量子運算會產生威脅的地方。由於量子電腦可以在不追蹤線性路徑的情況下同時分析所有可能性，因此它們可以有效地“跳過”經典電腦的一次一路徑的方法，並在合理的時間內得出精確的運算結果。量子電腦完美地將大素數劃分為正確的因數，有效地破解了RSA。對未來的量子運算的預測表明，RSA加密可以在幾個月內破解，而且更先進的量子電腦可能會在幾小時甚至幾分鐘內破解RSA。

量子運算

量子運算領域被錯誤使用最多的術語可能是“後量子運算”，縮寫是“PQC”。這個術語造成了混淆，因為它與“後量子加密”的縮寫是一樣的。然而，“後量子運算”並不存在於量子電腦科學領域。量子電腦是機器的全稱，而量子運算描述了場和過程。即使在先進的、實用的機器面世很久之後，它們仍然是量子電腦，而不是後量子電腦。

量子加密

量子加密與後量子加密在量子力學中有著共同的基礎，但量子運算與PQC採用的加密技術不一樣。在量子加密中，不可預測性的基本性質用於加密和解密資料，而訊息直接編碼在量子位元中。目前，最常見的量子加密版本使用量子位元的屬性來保護資料，如果有人試圖在未經許可的情況下解密訊息，就會產生量子位元錯誤。這種形式的量子加密更像是門或窗戶上的警示感測器。未經授權的存取會引發警示。

後量子加密（PQC）

後量子加密對數學方程式進行運算，就像經典運算加密一樣。不同之處在于方程式的複雜性。在PQC中，數學利用量子特性來創建難以求解的方程式，即使是量子電腦也無法“跳”到正確的解。PQC的優勢之一是它以高度不可解的方程式為基礎。由於它與現有的經典加密的基本結構相同，因此可以使用與目前最先進的加密類似的方法進行部署，並且可以保護現有的許多系統。