IBM 推出 53 量子位元的量子電腦!突破預言門檻,「量子霸權」的時代來臨了嗎?

IBM Q 量子電腦與運算中心,非文中所述 53 qubit 的量子電腦。

運用量子疊加原理,運算速度達傳統電腦數億倍的量子電腦,近年 Google、Intel、IBM 等科技巨頭正在積極研發,帶領量子電腦進入商業化。根據外媒 TechCrunch 報導 ,IBM 近期推出了 53 量子位元(qubit)的量子電腦,是 IBM 目前算力最強的量子電腦。

加州理工學院教授 John Preskill 在 2012 年提出「量子霸權」的概念,預言超過 50 量子位元的量子電腦,處理特定問題的性能能夠超過任何的傳統電腦。現在 IBM 推出 53 量子位元的量子電腦,突破了 50 量子位元的預言門檻,量子霸權的時代來臨了嗎?

IBM 發布 53 量子位元的量子電腦,能取得量子霸權嗎?

早在 1998 年,IBM 與 MIT(麻省理工學院)就一起研發了 2 個量子位元的運算系統。到了今(2019)年,IBM 展示全球首款專門為學界和企業界設計的量子計算整合系統,稱為 IBM Q System One;雖然有教授認為,它還不是一台實用的量子電腦,但可以做為量子電腦商業化的模板。

在 2017 年底,IBM 解構了 Preskill 提出的量子霸權概念。IBM Q 戰略副總裁 Bob Sutor 表示,重點不是量子位元的數量,而是量子位元的品質,因此他們提出「量子體積」的的概念,作為量子電腦的性能衡量指標。但目前研究證明,即使在特定的問題上,50 量子位元的量子電腦也無法完全超越傳統電腦,因此 IBM 新提出的 53 量子位元量子電腦還無法實現量子霸權。

雖然如此,IBM 還是與許多學術機構、商業客戶建立夥伴關係,部分合作對象開始導入量子電腦來處理問題。IBM 在今年 1 月推出《量子計算,即將到來》的報告,表示量子計算已接近商業化的階段,有很大的潛力改變世界。但如果量子電腦要大規模商業化,它要突破哪些限制?

量子電腦的軟體限制:與傳統電腦的相容性問題

根據中國媒體 DeepTech 深科技的 分析 ,從軟體層面來看的話,量子電腦會面臨與傳統電腦的「相容性」問題。傳統電腦是用 0 和 1 組成的位元(bit)運算,量子電腦是用 0 和 1 的量子疊加所組成的量子位元(qubit)來運算,因此兩者之間是無法相通的,量子電腦的運算必須要經過轉換,才能夠在傳統電腦的系統中應用。

然而,當今電腦以傳統電腦為主,若要大規模導入量子電腦,勢必面臨相容性的問題,必須要置入量子電腦與傳統電腦的轉換系統,進行位元與量子位元的轉換。因此,目前量子電腦主要應用在實驗室等特殊場域。

除了相容性的問題之外,量子電腦也需要有專門的量子演算法。目前比較知名的是 Grover 量子演算法,但在某些條件下效率較低,仍需要改進。

量子電腦的硬體瓶頸:龐大的體積、逼近絕對零度的環境要求

從硬體層面來看的話,量子電腦最苛刻的要求是,它必須在絕對低溫的環境下進行量子運算。目前量子電腦要求的運作溫度是 20mK,非常接近絕對零度,如果溫度超過,或是溫度波動過大,都會導致運算錯誤率增加。除了溫度之外,震動也會影響量子電腦的運算準確度。

此外,為了因應低溫要求,量子電腦要搭配冷卻設備,就必須考慮體積的問題。以 IBM 在 CES 展出的 IBM Q 核心部件來看,它的寬和高都是 2.74 公尺,相當於一個廁所的尺寸,但如果加上冷卻、控制等設備, IBM Q 可能會塞滿半個實驗室或整個辦公室。因此量子電腦若要商業化,一定要考量體積問題。

最後,就是成本的問題了。目前量子電腦的單位算力成本仍遠高於傳統電腦,因此在經濟效益上,量子電腦仍比不上傳統電腦。

如同「萊特兄弟的第一次飛行」,量子電腦的運轉將顛覆世界

在量子電腦產業中,目前只有少數新創有足夠的資金。目前資金最多的是 D-Wave System(2.1 億美元,約新台幣 65 億元),其次是 1.19 億美元的 Rigetti Computing, 6600 萬美元的 Silicon Quantum Computing,以及 5000 萬美元的 Cambridge Quantum Computing。

但 Google、Microsoft、Intel、IBM 等科技巨頭也投入量子運算的研究,除了 IBM 推出 53 量子位元的量子電腦,根據 MIT Technology Review 的 報導 ,Google 近日也發表一篇論文,表示實驗的量子處理器能夠用 3 分 20 秒的時間,完成超級電腦 1 萬年的運算,聲稱達到了「量子霸權」。雖然該論文已遭移除,但也顯示企業界發展量子電腦的野心,期望搶占新興科技的一席之地,取得話語權與客戶訂單。

目前量子電腦還沒有出現爆炸式的應用,但它已漸漸滲透學術、產業等領域,政府也開始正視量子電腦的發展。例如今年的 9 月 10 日,IBM 就位德國工廠裝設 20 量子位元的量子電腦,德國政府也預計在未來兩年內,斥資約 200 億新台幣的資金採購量子電腦。

隨著開發者的加入與業界的採用,量子電腦應用終將爆發,革新醫療、金融、資安等領域。D-Wave Systems 的 CEO Vern Brownell 表示,人類正處於量子運算時代的「黎明」;MIT 的教授 Will Oliver 則用「萊特兄弟的第一次飛行」比喻當今的量子電腦發展狀態。在未來,量子電腦將革新人類的科研、製造、商業與生活樣態,如同百年前的飛機,顛覆了人類的交通、物流模式,為世界帶來翻天覆地的改變。

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參考資料來源:
1.《IBM Newsroom》:〈IBM Opens Quantum Computation Center in New York; Brings World’s Largest Fleet of Quantum Computing Systems Online, Unveils New 53-Qubit Quantum System for Broad Use
2.《TechCrunch》:〈IBM will soon launch a 53-qubit quantum computer
3.《MIT Technology Review》:〈Google researchers have reportedly achieved “quantum supremacy”
4.《DeepTech 深科技》:〈 量子算力争霸再迎赛点:瞄准新纪录,IBM 称全球首台 53 位量子计算机商用就绪
(本文提供合作夥伴轉載。首圖來源:Flickr CC Licensed)

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