美國開國先賢富蘭克林曾經說過,「最重要的是要懂得如何使用新的技術與工具,而不一定要懂得其原理。」現在科學領域中最為迷人的「量子科技」或許就是最好的例子之一。

量子技術已被世界各國視為最重要的顛覆性科技,美國更將其納入「微型曼哈頓計畫(mini- Manhattan project)」——這一舉動詔示著:在這個時代掌握量子技術,等同掌握了原子彈等級的領先科技。

本集〈全新一週〉邀請到鴻海研究院量子計算研究所所長謝明修——這集或許會有些「燒腦」,但聽眾絕對能從謝明修所長的熱血科學魂當中,了解量子科技這一既迷人又令人興奮的顛覆性技術。

【本集重點內容時間軸】

2:16 量子運算的破壞式創新

5:46 量子運算能加速 AI 模型的演進嗎?神秘的「量子疊加」是什麼?

8:47 未來的某一天,量子手機有可能帶在身邊嗎?

12:00 鴻海使用的量子技術是什麼?目前全世界推展量子運算的物理模式有哪些?哪些企業是領頭羊?

15:17 目前量子運算的瓶頸?為什麼亟需「量子錯誤更正技術」?

18:21 目前業界做的最好的超導位元是誰?還要精進到什麼地步?

20:23 為什麼需要「保護量子位元」?

21:45 鴻海近年投入五大領域的 R&D,特別擇定量子研究的原因為何?

【本集節目談到的量子運算名詞與概念介紹】

  • 量子疊加

古典電腦的一個位元只能表示 0 或 1 的狀態,而擁有量子力學性質的量子電腦,則是能用量子位元以不同的機率同時表示處在 0 跟 1 的疊加態。因為量子力學具有不確定性,使得量子系統能同時以不同的可能性,處在不同的物理狀態,這種不確定的狀態被稱為疊加態,而量子疊加則是古典位元與量子位元的主要差別。

量子疊加的性質是,當位元數增加時,能表示的狀態數量相較於古典位元的線性增加,量子位元能表示的狀態將會指數成長。因此,在處理一些特定的問題,如模擬量子系統、處理與密碼相關的質因數分解問題,或是和最佳化相關的資料庫搜索問題時,藉由量子位元的性質或相關量子演算法,量子電腦相較於古典電腦更具有優勢,能比古典電腦更快找出答案。(想進一步了解,請參考:鴻海研究院

  • 量子錯誤更正技術(又稱量子糾錯,英文:quantum error correction)

2022 年 6 月,鴻海研究院量子計算研究所所長謝明修、美國普林斯頓大學 Vincent H. Poor 教授及其合作夥伴,於全球頂級期刊《美國國家科學院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences PNAS)發表團隊研究成果「Entanglement-assisted concatenated quantum codes」,該研究發展了新的量子錯誤更正的技術,構造出更優秀的錯誤更正碼,提升量子硬體效能。

量子錯誤更正作為量子容錯計算的核心關鍵技術,謝明修表示,該研究是利用量子糾纏建構出高碼率跟長碼距的量子序連碼,進而發展了新的量子錯誤更正技術,可望提升量子電腦硬體效能,降低錯誤率。

謝明修指出,唯有能夠在硬體上實現錯誤更正技術,才能夠構造出超越現有經典計算能力的量子電腦,除此之外,更高效的錯誤更正碼,也能改善量子通信傳輸的速率。(想進一步了解,請參考:鴻海科技集團

  • 為什麼需要「保護」量子位元?

量子運算最大的障礙之一是量子位元的脆弱性質。現實世界裡完全獨立的量子系統是不存在的,因此需要考慮到環境對量子位元的影響。量子位元出現在 0 跟 1 狀態機率的相對關係被稱為「相位差」,當量子位元受到干擾時,原本的相位差便會產生改變造成誤差,而主要的干擾可以分成兩種:弛緩與退相干。

弛緩指的是,量子位元的狀態會隨著時間,受到熱平衡與環境的影響,回到最穩定的狀態的趨勢。舉例來說,若最穩定的狀態是 0,原本是 1 的量子位元態,在 0 的狀態的可能性會隨著時間漸漸增加,變成 0 跟 1 的疊加態,最後停留在 0 的狀態。

退相干則是指,當量子位元與環境或其他量子位元間有交互作用影響時,會改變量子位元的相位差,隨著時間演變,系統會漸漸失去改變量子位元相位差的能力,且失去量子性質變成古典的系統。

若是量子位元容易受到干擾,當量子位元的數量增加時,便會面臨嚴重問題。量子電腦相對於古典電腦的優勢,主要表現在處理規模較大的特定問題。因此,若是量子位元受到環境或其他量子位元的影響而無法保持在穩定的狀態,便無法規模化量子位元的數量,量子電腦的使用優勢也會隨之減少。(想進一步了解,請參考:鴻海研究院Azure

  • 推展量子運算的 4 種物理模式

1. 超導位元與液態氮(代表公司:GoogleIBMAmazon

想進一步了解,請參考:真文化出版《量子電腦和量子網路》研之有物

2. 離子阱的雷射冷卻(代表公司:Honeywell 合併新創公司成立 Quantinuum、鴻海)

想進一步了解,請參考:鴻海研究院

3. 量子光學

想進一步了解,請參考:科學月刊

4. 電子(代表:澳洲學術研究機構與企業,如 Silicon Quantum Computing,SQC)

想進一步了解,請參考:Flip-flop qubits: radical new quantum computing design inventedAustralian Quantum Computing Engineers Develop SMART Qubit Protocol

TO 延伸閱讀

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(圖片來源:TechOrange,文章製作:游絨絨、邱麗玲、藍立晴;責任編輯:藍立晴)