下個世代運算工具,揭開「量子電腦」神祕面紗

MakaSa

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#1


2016 年 4 月,當時上任不到一年的加拿大總理杜魯多(Justin Trudeau),
在一個公開場合以 35 秒解釋什麼是量子電腦,影片在網路上被大量轉貼、討論;
隔年 3 月《經濟學人》雜誌就以「量子躍遷(Quantum Leap)」為主題,
介紹了量子技術的展望,讓量子電腦躍上大眾視野。

微軟執行長薩蒂亞·納德拉(Satya Nadella),
也曾將人工智慧(AI)、混合實境(MR)、量子電腦,並列為重塑未來世界的 3 種開創性技術,Google、IBM、Intel、微軟,
以及許多研究人員近來也都以打造可以商業使用的量子電腦為目標,
雖然這項顛覆以往思維的運算技術仍只是在起點,
但你我都應該從現在開始認識量子電腦,了解這項科技將在未來扮演關鍵角色

▼加拿大總理杜魯多(Justin Trudeau)面對記者提問,解釋什麼是量子電腦,迎來現場群眾一陣掌聲。


運算速度更強大,拆解量子電腦背後原理
量子電腦的概念,來自 1982 年物理學家理察‧費曼(Richard Feynman)將量子體系用於運算的想法,
不過在那個年代都僅止於理論推導,但卻也是翻轉現代電腦科學重要的關鍵點,
簡單來說,量子電腦的運算速度可以超越現在生活中,
你我使用的傳統電腦,以更快的速度解決生活中的各項難題。

一般電腦(包括桌機、筆電、平板、智慧型手機)都採用二進位制的計算單位「位元(bit)」,
意思是 0 與 1 的二分法,一次只會出現 0 或是 1 單一種狀態,
也就是「yes / no」形式;量子電腦則採用「量子位元(qubit)」,
這種計算方式有「疊加(superposition)」特性,可以同時出現 0 與 1,產生 00、01、10、11 的疊加狀態,
也就是「yes / no / both」形式。

《華爾街日報》曾比喻,如果傳統位元是靜止的硬幣,一次只能出現正面或反面,
量子位元就像旋轉中的硬幣,正反兩面都可以同時出現;
或者也可以將傳統電腦想像成單一種樂器,量子電腦就像是眾多樂器組成的交響樂團,能夠一次同時演奏不同的段落。

▼ 量子電腦就像是眾多樂器組成的交響樂團,能夠一次同時演奏不同的段落。 (Source:pixabay

量子電腦之所以被稱為「下個世代的運算工具」,
是因為可以在多管齊下、同步測試各種可能找出答案,
透過量子電腦,可以幫助人類在短時間內完成一般電腦需要花上數十年才能解決的問題。

之所以能擁有這麼快的運算速度,靠的是量子疊加(superposition)、量子纏結(entanglement)這兩大量子特性。
量子疊加指的是每單位可以 0 或 1、0 與 1 相互疊加,形成 00、01、10、11 四種組合;
量子纏結則是指量子位元可以分組聚合、一次同步計算各種可能性,也因為如此,運算能力才能大幅提升。


目前面臨的技術困境?

穩定性不足

量子電腦這項科技已經真實存在,但要能實際在商業上應用,仍有許多困難需要克服,目前量子電腦的穩定性不夠,容易受到熱能、電磁輻射等外在環境干擾,必須將處理器存放在絕對零度(零下273攝氏溫度)的環境中,才能讓人類與量子電腦一起工作,目前為止因為打造這樣的環境條件仍需要相當困難的技術,也導致量子電腦發展速度受到限制。

錯誤率有待降低

此外,要達到商業化的目標,處理器要達到50量子位元(qubit)、雙量子位錯誤率低於 0.5% 的標準,才能符合「量子霸權」(quantum supremacy)定義,Google 在今年 3 月推出 72 量子位元處理器「Bristlecone」,雖然已達到標準,但目前錯誤率的穩定仍是一大關鍵。


▼ 為了避免熱能、電磁輻射等外在環境干擾,必須將處理器存放在絕對零度(零下 273 攝氏溫度)的環境中。(Source:Intel


開發量子軟體
最後,量子電腦要能真正發揮作用,同步開發量子軟體也很關鍵,高度的運算複雜度,
使得開發人員必須具備一定程度的物理、數學、軟體工程知識,但由於初期研發出的量子電腦硬體規格不一致,所以軟體大多必須客製化。

量子電腦預計在 10 年內就能從實驗室邁向商用,為人類生活帶來天翻地覆衝擊,在未來世界中,誰能掌握量子電腦技術,就擁有優勢制霸權,也因此各家科技大廠、各國政府無不積極迎戰,就像前微軟首席研發策略長克瑞格·蒙迪(Craig Mundie)說的:「這是 70 年來,我們第一次建構一個完全不同的運算系統,這並非升級或改進,而是一個完全不同性質的新事物。」

原文:數位時代 :下個世代運算工具,揭開量子電腦神秘面紗
 
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