【聚焦 2018 未來科技展】量子運算是 21 世紀的太空戰爭,誰會是這場競賽的新強權?

超越摩爾定律主宰的量子運算技術,成為美、歐、中等技術大國高度關注的前沿技術發展。未來五年「量子運算」相關研究將大鳴大放,台灣科研機構與產業也應該同步關注的國際發展趨勢。科技部主辦 2018 未來科技展 Future Tech「量子電腦論壇」,解密量子電腦神秘面紗。

半導體的摩爾定律即將走到盡頭,大家殷殷期待救世主出現,而「量子電腦」被寄予厚望。它的理論基礎「量子」,曾讓在科學界有神級地位的愛因基坦說是:「鬼魅般超距效應」。如果連物理大師都有如此說法,可見量子電腦相關技術的影響力被整個社會高度期待。

IEEE 量子運算委員會主席、量子運算新創公司 Strangeworks 執行長威廉赫立 (William Hurley) 上個月在美國知名科技媒體 TechCrunch 發文形容:「量子運算是 21 世紀的太空戰爭」,而要了解這場戰役的重要性,必須先從「量子」談起。

從物理學上的「量子理論」開始講起

所謂的量子理論,是在原子和次原子的層級來解釋能量和物質;以電子為例,古典物理學偵測到一個電子,發現它在某個位置,便認定它一直在那裡;但量子理論則認為,當我們不去偵測電子時,它的波函數是散開的,四落在不同地方;一旦我們再去看它,電子又會出現在某一個位子。甚至同一時間以不同儀器觀察,也會看到不同樣貌。

東方的讀者有沒有一種似曾相識之感?量子理論所要闡述的,宛如佛教心經所說:「不生不滅、不垢不淨、不增不減」;只不過換成了量子,它是「又生又滅、既垢且淨、增增減減」。也就是粒子或物質在同一時間可具備多種狀態,正因為這樣的特性,隨之而來的應用就有無盡想像空間,在這眾多應用中,其中之一就是被視為摩爾定律救星的「量子運算」。

傳統的電腦運算是兩位元,非 0 即 1, 再利用 0 和 1 的排列組合來進行運算。量子運算則打破二元界限,「量子位元 (quibit)」可以同時是 0 和 1, 就像硬幣的正面是 0, 反面是 1, 把硬幣扔到空中,它不停在正反面間旋轉,兩種身份便同時存在。甚至量子位元還能疊加,具有 0+1+1+0….. 的延伸特性。

傳統電腦的運算步驟會被位元數所限制,例如要找出 4 位元的某組數字,傳統運算最多須嘗試 16 次才能找到答案,量子電腦只要 4 次就搞定;20 位元的某組數字,傳統電腦最多要嘗試 100 萬次,量子電腦只要 1000 次。

量子電腦走出象牙塔,箇中關鍵是「機器學習」技術發展!

Hardward Club 合夥人楊建銘指出,過去一直被關在學術界象牙塔裡的量子電腦,近兩年之所以突然成為熱門話題,最大推手是「機器學習」。因為神經網絡的矩陣乘法,若以二位元電腦來運算,硬體需求將呈指數成長;不過若換成量子電腦,僅呈線性成長,不被硬體需求所限制,未來可以走的路更長更遠。

國際巨頭把量子技術發展當成新一代太空競賽在看

目前各國政府、科技巨擘都在瘋狂投入量子電腦的研發,彷彿一場登上太空的軍備競 賽。根據英國經濟學人雜誌的調查, 2015 年對全球總計對量子電腦的國家級投資達到 17.5 億美元,第一名是歐盟的 6.43 億美元、其次是美國的 4.21 億美元、中國的 2.57 億美元、德國的 1.4 億 美元。這還不計入未公開的機密研發投資 。

歐盟在量子運算領域已有長達十年的研究計畫,今年開始,歐盟更將投入 10 億歐元成立「量子旗艦計畫」;牛津大學、荷蘭理工大學等學術界也來參一咖。美國的量子運算技術領先,不過卻缺乏國家支持的力量,今年已受到國會重視,大力投入。另外,加拿大、澳洲政府的官方投資也在上億美元之譜。中國雖公開表示,十年內量子運算的成果要超越美國,中企如阿里巴巴、騰訊也宣佈相關計畫,不過一般認為中國處在「跟跑」的狀態。

科技大廠包括 IBM、Google、Intel、微軟等也積極開發自己的量子電腦硬體;IBM 最近甚至大膽預言,三年之內量子電腦的效能將超越傳統電腦。有趣的是,量子運算新創公司 Rigetti 今年推出了「量子雲端平台」,揪大家一起來開發量子運算,眾志成城,希望更快實現各種應用。開發者可在這個平台上測試演算法,Rigetti 還提供 100 萬美元,誰先開發出量子運算的商業應用,就能抱走獎金。

各界也在攜手發展量子運算的標準,例如 IEEE 標準協會的量子運算小組,就正在發展兩項標準,一是量子運算的定義,讓大家能用同一語言溝通。二是效能評比標準,用來比較量子電腦和傳統電腦的效能差異。

量子電腦的幽冥級算力,雖讓各界期待,但目前仍有瓶項待克服,如何創造出量子,並讓它們存在得夠久來完成運算,都是挑戰。

威廉赫立表示,量子運算的目的是輔助並擴展傳統運算的能力,它不會取代傳統運算,而只是一個執行特定功能時更有效的新工具。事實上,量子電腦還須要傳統電腦的支援,例如在進行系統優化時就須仰賴傳統電腦。

他認為,量子電腦在能源、金融、航太領域,將更能帶來突破,幫助人類治療疾病、改善金融市場運作、解決交通問題等;最明顯的例子是,透過量子運算,新藥開發的過程能夠加速;或者大氣模型的判斷可以更準確,幫助我們追蹤或解釋氣候變遷的各種變因。「我把這類應用稱為『人道精神』的量子運算,期待這個強有力的新科技,能用來造福人類。」

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(首圖來源:Wikipedia,本文開放合作夥伴轉載。)

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