“量子”(quantum)一词泛指这个新兴领域中多项强化“量子力学”(quantum mechanics)的技术，可用于开发计算、通信、传感、制药、化学和材料研究等领域。物理学家也针对量子力学提出了另一套表述，来解释奇特的新现象，例如量子干涉(interference)和纠缠(entanglement)等能让相距甚远的粒子产生交互作用的特性。
如果能强化物质的量子力学特性，量子技术可能会突破经典物理学的界限，提供全新的信息处理方式，不仅速度更快、更加节省资源，更能够使我们计算出过去研究无法获得的结果，例如蛋白质的形成，或是预测金融系统的复杂行为。
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量子技术可望在很多领域展现其颠覆性的潜力，其可能性包括：
量子计算具有超强的信息处理能力，可带动基础研究、最优化、信息技术，以及制药等领域的蓬勃发展，而且效果远远超出我们的想像。
量子系统对于环境变化极其敏感，且运作时间越久，稳定性就越低，这使得量子系统虽拥有超强的计算能力，但也让我们难以精准地控制。正因如此，相较于有数亿个比特的传统计算机，目前量子计算机的容量还非常小，只有几十个量子比特(qubit)，而且这些小型系统所执行的计算通常不够准确。
为了让量子计算迈向主流市场，我们需学会将量子系统与其所处的环境全面隔离开来，试着更精准地控制这些系统。下一步，我们必须减少在量子计算过程中产生的误差，并将系统扩展到数亿个量子比特。
以量子通信的角度来看，目前多数的量子通信与典型的光纤通信应用类似，只是量子通信对性能的要求更严格，也更容易受环境影响。所以，想将量子网络融入日常生活，主要的挑战就是如何制造安全的量子中继器(quantum repeater)。其实，一般人不太可能在家里使用量子计算机来取代现有的传统计算机，不过，这些技术创新还是会逐步影响我们的日常生活。
量子技术的高速计算同时也带来了信息安全风险。拥有强大功能的计算机带来许多我们无法想像的应用，却也因而带来意料之外的风险。虽然量子计算机能有效处理涉及个人隐私的大数据(big data)，但与此同时，理论上也能破解美国国家安全局(NSA)的加密算法，带来巨大的信息安全挑战。对此，研究人员需尽早建立完善的安全协议，确保传统计算机和量子计算机的安全。
例如，美国大约有1%的能源消耗用于化肥生产。这个过程效率低下的部分原因是以量子力学仿真化学反应的复杂性。量子计算机可用于仿真生物/化学过程，例如固氮酶中的固氮作用，从而提高生产效率并带来更环保的方法。
同时，我们还要试着降低量子计算的误差，而量子计算硬件与软件的创新，便是克服误差问题的关键。透过深入研究才能了解量子系统出现误差的原因，并构建能有效减少计算误差的硬件。同时，芯片制造能力已达物理极限，我们更需要推动软件的改进，从而加快部署更先进的算法。
除了最先进的量子计算技术外，有多个关于新型量子计算硬件的研究项目已悄然展开，例如光子量子计算机，或基于中性原子的量子计算机，未来的发展备受期待。此外，研究人员正努力开发算法，进而提升中型量子计算机的性能，希望能借此更快突破量子计算的极限。
在通信领域中，量子计算的主要优势在于安全通信和分布式纠缠(distribute entanglement)能力。纠缠效应是一种可以强化计算和传感能力的量子力学效应，而量子网络可以分散纠缠效应，从而促进建立由量子传感器或量子计算机组成的网络。如同分布式计算使用的CPU集群，我们同样可以建立一个用于量子计算的分布式量子处理单元(QPU)集群。
顺利的话，预计在未来10年内就能看到量子计算的重大突破；但如果我们不断遇到新的挑战，或是找不到克服量子计算误差的方法，我们也只好将注意力转移到可实现的目标上，例如制造能够解决更多问题的量子模拟器，而非通用量子计算机。
量子计算的商业潜力与其他颠覆性技术相辅相成，并可推动工业和研究的各个领域成长，带来巨大进步。一旦这项技术变得可行并普及后，任何拥有该技术的产业，都将获得丰厚的效益。
目前全球已有多家量子计算初创公司，而IBM和谷歌等产业巨头也都在全球各地建立了重要的量子计算研究基地。虽然目前主要的行业参与者都是北美企业，但欧洲、亚洲和大洋洲的参与程度也越来越高，是德科技很高兴能在这一波浪潮中成为其中的一员。
(本文编译自EDN姊妹网站New Electronics，参考原文：An Introduction to Quantum)
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