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1. 量子力學
Quantum Mechanics

2. 不自量力
不要自學量子力學!

3. 居里 愛因斯坦
薛丁格 包立
普朗克
海森堡
1927年第五屆索爾維會議 (Solvay Conference)
勞倫茲
波耳

4. 「量子」是什麼?
普朗克 (M. Planck)
「一份一份的」、「一粒一粒的」
一粒一粒的光
一份一份的能量
E = n h f
能量為頻率的整數倍

5. 套著白氣球的紅氣球會如何?
雷射筆

6. 紅氣球破了、白氣球卻沒破
雷射筆

7. 雷射除斑

9. 微觀世界
原子核
電子
(直徑約 10-10公尺，即 0.1 奈米)
質子
中子
(直徑約 10-14公尺)
(直徑< 10-18公尺)
原子
原子真的很空!
波耳 (N. Bohr)

10. 物質如何保有形狀?

11. 包立不相容原理 (Pauli’s Exclusion Principle)
包立 (W. Pauli)

12. 原子與原子間保持固定距離
原子核
電子
原子核
電子
化學鍵

13. 光電效應
原子核
電子
原子核
愛因斯坦 (A. Einstein)
電子

14. 電子在哪裡? 怎麼動?
電子
位置、動量 (質量、速度、方向)

15. 測不準原理
海森堡 (W. Heisenberg)
一滴水
水溫會被溫度計改變!

16. 測不準原理
海森堡 (W. Heisenberg)
一滴水
水溫會被溫度計改變!
電子
偵測器
會影響電子狀態!
光

17. 電子「同時」存在於許多位置

18. 量子疊加 (Superposition)
左旋
電子
右旋
既左旋又右旋
坍縮(Collapse)成一種狀態
(同時存在兩種狀態)

19. 宏觀世界不可能發生疊加狀態
冰的熱咖啡 活的死貓

20. 薛丁格的貓
薛丁格 (E. Schrödinger)

21. 月亮在沒人看它的時候就不存在？
愛因斯坦 (A. Einstein)

22. 量子糾纏 (Entanglement)

23. 量子糾纏 (Entanglement)
糾纏光子
晶體(Crystral)

24. 量子糾纏 (Entanglement)

25. 量子通訊?
糾纏量子

26. 量子通訊?
測量後發現是右旋
瞬間知道是左旋
超光速傳遞信息是假的!

27. 楊氏雙狹縫實驗
楊氏（Thomas Young）

28. 光是「波」

29. 光子雙狹縫實驗

30. 電子雙狹縫實驗

31. 電子雙狹縫實驗

32. 電子雙狹縫實驗

33. 電子雙狹縫實驗

34. 電子雙狹縫實驗

35. 電子雙狹縫實驗

36. 量子擦除實驗 (Eraser Experiment)
晶
體
擦
除
路
徑
資
訊
糾纏光子

39. 波耳 (N. Bohr)
如果你沒有被量子力學所困惑，
那就代表你根本還沒有了解它。
費門 (R. Feynman)
我幾乎可以說沒有
人能了解量子力學。
1982提出「量子電腦」概念
不要問為什麼，算就對了!

40. 甲 乙 丙
三人
0 1
二台車
朋友 仇人
仇人
甲乙丙
0 0 0
0 0 1
0 1 0
0 1 1
1 0 0
1 0 1
1 1 0
1 1 1
目標：同車的朋友數量最多、同車的仇人數量最少
友
1
仇
2
1 0
0 1
0 1
0 1
0 1
1 0
1 2
分數
-1
1
-1
-1
-1
-1
1
-1
甲乙 丙
一個電腦也怕的問題

41. 3人搭2台車
有222 = 23 = 8 種可能性
100人搭2台車
有 2100 種可能性

42. 2100 種很多嗎?
假設電腦每秒可計算一百萬種 (220種)可能性
需要 2100 / 220 = 280 秒
相當於 280 / (606024365)  255 年
大約 32000000000000000 年 (32000兆年)

43. 最佳化搜尋問題
從一大堆的可能性中挑出一個最佳的
沒法一一檢查!

44. 最佳化搜尋演算法
◼基因演算法 (Genetic Algorithm)
◼模擬退火法 (Simulated Annealing)
◼禁忌搜尋法 (Tabu Search)
◼群體演算法 (Particle Swarm Optimization)
◼螞蟻演算法 (Ant Colony Optimization)
◼蜜蜂演算法 (Bee Colony Optimization)
◼果蠅演算法 (Fruit Fly Foraging Optimization)
◼猴子演算法 (Monkey's Foraging Optimization)
◼螢火蟲演算法 (Firefly Optimization)
◼酵素反應演算法 (Enzyme Reaction Algorithm)
◼免疫系統演算法 (Immune System Optimization)
沒有一種 是最佳的!

45. 傳統電腦：一個一個檢查
30 74 38 88 40

46. 量子電腦：多個一起檢查
30 74
38 88
40

47. 量子疊加 (Superposition)
左旋
電子
右旋
既左旋又右旋
坍縮(Collapse)成一種狀態
(同時存在兩種狀態)

48. 傳統電腦 量子電腦
位元 (bit) 量子位元(qubit)
1
0 90%的1+10%的0
71%的1+29%的0
46.3%的1+53.7%的0
.
.
.
0
無限多種狀態(疊加態)
2種狀態
1
1
0
疊加態

49. 1個量子位元
|x = a0 |0 + a1 |1
|1
|0
疊加態
|a0|2 + |a1|2 = 1
例如 |x = |0 + |1
1
2
1
2

50. 2個量子位元
|x = a0 |00 + a1 |01 + a2 |10 + a3 |11
3個量子位元
|x = a0 |000 + a1 |001 + a2 |010 + a3 |011
+ a4 |100 + a5 |101 + a6 |110 + a7 |111

51. 量子糾纏 (Entanglement)
相反狀態

52. 量子糾纏
|x = |00 + |11 為量子糾纏態
1
2
1
2
1
2
1
2
|x = |01 + |10 亦為量子糾纏態
1
2
1
2
|x = |00 + |01 不為量子糾纏態
1
2
1
2
|x = |10 + |11 不為量子糾纏態

53. 量子平行運算
一次算出

54. 量子平行運算
100人搭2台車
有 2100 種可能性
若使用100個量子位元，可一次瞬間算出!

55. 2 3 4 5 6 7 8 9 10
質數
分解 10 = 2  5
分解 511883 = 557  919
分解 6565257649 = 71993  91193
合數
質因數分解問題

56. 加密系統
質數1  質數2 = 合數
= 質數1  質數2
質因數分解
最普遍的RSA-2048加密系統大約為615位數
以現有電腦進行質因數分解約需300兆年
若使用2048個量子位元，可一次瞬間算出!

57. 傳統電腦
…
萬能鑰匙
8種鑰匙
試8次
試1次
量子電腦

58. RSA 2048商業憑證還安全嗎?

59. 目前最強的量子電腦： IBM Quantum
433-qubit

60. 量子電腦的發展障礙
•不穩定，需要絕對低溫(-273 0C)下運行

61. 量子電腦的發展障礙
•精度差，需要容錯機制補償
疊加  坍縮
萬能鑰匙
試1次
？