量子是什麼?從電控工程師的思維來看量子計算

 在傳統工廠自動化控制中，電控工程師經常處理兩種基本訊號：

        1.        數位訊號(Digital Input/Output, D/I與D/O)：

例如光電感測器偵測到物體時，輸入為「1」，沒偵測到則為「0」。PLC的邏輯程式透過基本的開關量變化來決定輸出繼電器是否激活，這很像我們常見的二進位電腦位元(bit)概念。

        2.        類比訊號(Analog Input/Output, A/I與A/O)：

例如溫度感測器輸出010V的電壓，對應到0100度C的溫度範圍。這是一個連續值範疇，不再只是0或1，而是0與10V之間任意可能的數值。

當我們了解了數位與類比訊號，再來看「量子計算」時，或許能更直觀地理解量子位元(qubit)的概念。

從數位到「超類比」：量子位元的疊加態

傳統二進位僅有0或1這兩個離散狀態，就像數位輸入的開或關。而量子位元可同時以一定比例「存在於0和1」之間，這種現象稱為「疊加(superposition)」。

要比喻的話，我們可以想像：

        •        數位位元是電壓只有0V(low)或24V(high)兩種狀態，二擇一明確。

        •        一般類比訊號是0~10V間任意值，但它本質上只是一條線性尺度上的一點。

        •        量子位元的狀態則更像在一個「二維球面」上，有一個點能同時包含「對應0」及「對應1」的某些成分。這不僅是單純一個數值，而是包含「振幅」與「相位」，兩個維度的資訊。

白話文：數位1條線，只能0跟1的狀態，而類比是1條線0-10v，可以依解析度有1024或更高的可能性(依解析位元)，而量子可以是兩個類比的信號，同時存在，所以有比類比更高的解析。

這意味著量子位元的狀態在測量前，並非固定為0或1，而是處於一種「可同時代表多種可能性」的狀態，就好像類比訊號不只是一條線上的值，而是能在一個球面上移動的位置。

由疊加態到測量結果：最終仍是0或1

雖然量子位元在運算過程中可以同時有「0的成分」和「1的成分」，但當你真正「測量」它時，結果仍會只顯示為0或1兩種離散值。這點與類比訊號不同：你不會量測到一個「0與10V的同時值」，類比訊號本身就是真實的連續量值；而量子位元則是因為量測行為本身會使疊加態「塌縮(Collapse)」，從多重可能狀態中瞬間鎖定為單一答案。

換句話說，量子計算的強大之處並非讓你最後看到「所有狀態同時的值」，而在於運用這種「疊加」來在計算過程中並行探索多條路徑，並透過特定流程增加正確答案出現的機率，最後在你測量時提高讀到正確結果的機率。

結語：從電控觀點理解量子

對電控工程師來說，量子世界似乎很抽象，但透過PLC的類比、數位概念，我們有了下列對應：

        1.        數位訊號對應二進位位元——離散明確。

        2.        類比訊號代表連續量值——無限多中間值。

        3.        量子位元在計算中像擁有「更高維度的類比」特質，可同時具備0和1的疊加——但最終結果仍必須用「離散」的0或1呈現。

透過這種比喻，我們或許能更直觀地理解量子計算的基本概念：就像擁有一種介於數位和「超類比」之間的奇妙信號，在特定計算情境下能帶來指數級的處理效益。