量子電腦曙光乍現!邁向商業化之前,量子運算還需要經歷哪些技術門檻?

量子電腦憑藉強大的運算能力,吸引世界產業巨頭和政府都爭相投入,在資訊時代,運算能力就是國力象徵,因此各國無不傾力研發,而近期的最新成果也顯示,量子電腦正在距離商業化越來越近。

但就算量子電腦就算正在逐漸成真,但依然面臨許多技術挑戰,如能成真,將對人類的社會和現況產生深遠的影響。

量子電腦必須跨越的技術門檻

Gartner 今年八月發出的報告指出,量子電腦目前正處於發展期和蓬勃期的區間,還需要 5~10 年才能成熟,而產業巨頭 IBM、Google、微軟等則正在努力讓量子電腦在五年內完成商業化應用。

據《科技政策觀點》作者林明宜(國家實驗研究院副研究員)撰文指出,要跨越那條「商業化」的門檻,量子電腦目前還有幾個主要的難題。

1. 量子組態的維持

量子態非常容易受到外來影響,例如振動、電磁場、熱擾動,因此如何讓量子態可以更長期、穩定的維持將是重要的方向。

目前微軟發現「準粒子」的作法,可以強化量子糾結,令其可以維持更穩定的組態,不受外界影響的完成運算,如此量子電腦的運算能力就不需浪費在大量更正錯誤上。

2. 量子位元的擴充

量子電腦的特色便是可以同時運算 0 和 1 ,其運算單位便是量子位元,據《科學人》雜誌報導,原則上,300 個量子位元的電腦可執行的運算次數,比可觀測宇宙內所有原子的數量還多。

因此,如何擴充量子為元的數量,將是量子電腦運算力的關鍵,目前 Princeton 大學的研究有突破性進展,能夠準確控制兩個電子之間的量子行為,能夠在矽材料上面完成量子糾纏現象,藉由此技術,結合目前半導體的先進科技,有望強化量子位元的擴充。

3. 量子軟體的研發

量子軟體的運算複雜度源自於量子電腦本身的複雜度,運算時將帶有一定的雜訊,因此在軟體設計時必須考量物理原理和位元限制,並事先建立雜訊模型避免錯誤。

量子電腦軟體設計人員須具備深厚的物理、數學和軟體工程知識,跨領域的人才將是量子軟體研發的關鍵。

量子電腦的現況和未來影響

超過 50 位元的量子電腦將是未來發展關鍵,因為這代表著量子電腦的運算能力將超越現存的所有超級電腦,IBM 目前將 20 位元的量子電腦商業化成功,提供 20 位元的量子雲端運算服務,目前最接近 50 位元里程碑的也是 IBM,目前已經建立出 50 位元的量子電腦原型機,而 Google 也緊追在後,幾所美國的知名大學例如麻省理工、哈佛大學的量子運算中心也都用不同的方式達到 50 位元的原型機,日本和中國,也都相繼投入國家預算進行量子運算技術的研發,現在的量子電腦確實已經即將從實驗室步入實際應用。

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而量子電腦的強項「亂數運算」,也將讓近期的人工智慧發展再往上一個層級,將是少數量子電腦在早期就能找到發展利基點的一個關鍵產業。另一個量子電腦在初期就能有的關鍵利基則是在化學,過往在製藥上面科學家要建立電子和分子的運算模型,必須運算每個電子的運算軌跡,而這代表需要超越整個世界原子量的儲存空間,因此過往建立模型,科學家都必須忽視電子的某些特性。而量子電腦的運算力將可以讓這件事變得可能。

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Gartner 發佈 2019 十大科技預言:量子運算、AI、區塊鏈將迎來爆炸性發展

參考資料
量子電腦-曙光乍現
比科技巨頭看法保守,Gartner:量子電腦到成熟期還需 5 至 10 年
給量子位元一點空間

(本文開放合作夥伴轉載,首圖來源:pixabay CC Licensed)


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