第一批「量子電腦」即將問世:當前量子電腦的大計劃

第一批「量子電腦」即將問世:當前量子電腦的大計劃
Photo Credit:物理雙月刊

我們想讓你知道的是

在上個月的「自然」雜誌(Nature)刊出的文章裡,谷歌團隊就預測了大約再過5年的時間,工業界將能夠讓小型且用在特殊用途的量子電腦商業化。

譯者:林中一教授(台灣國立中興大學物理系)

第一批的量子電腦已經快要問世了。在紐奧良召開的2017美國物理學會三月大會,第一天一大早,來自谷歌(Google)、微軟(Microsoft)和哈佛大學的研究者們就在一個擁擠的房間裡,與擠在裡面的物理學者們討論他們最近在量子電腦方面的成果,以及他們對這個還不太成熟技術的近程計畫。

來自谷歌的量子電腦主教級大師約翰.馬丁尼斯(John Martinis),提出了他們公司的「延伸目標」是在今年底建造及測試一台49-量子位元(qubit)的量子電腦。這個電腦所使用的的量子位元是由超導線路製作。每一個量子位元將被定在一個二元狀態系統的某一個精確的量子態。這次的測試將成為量子電腦技術的里程碑。

接續在馬丁尼斯之後,也是來自谷歌的舍吉歐.布埃索(Sergio Boixo)接著說明,他說一個大約50個量子位元的量子電腦,在執行某些困難任務的速度上,可以超過最快的古典電腦。

學者們說,在像解決質因數分解或者精確模擬有機分子這一類計算超繁瑣的問題時,量子電腦保證在速度上會有指數的增長。這是因為「量子糾纏」:如果你預備了相互糾纏的量子位元,那麼你就可以同時操作好幾個狀態。

為了顯示他們的49-量子位元電腦真的有用,馬丁尼斯的團隊會將這些量子位元植入一個晶片,先精確的定好量子位元的初始量子態,然後透過外加的電位來控制量子位元的狀態演進。最後,他們會將測量到的量子位元狀態和一個針對該實驗所做的理論模擬結果相比較(這個理論模擬的計算是使用一個古典的超級電腦來做的)。如果兩者相符,那就表示研究團隊的確能夠操控量子位元的量子態演化,也就表示他們可以進行量子計算

這個示範並不對應於任何有用的計算工作,他只是要表現他們能夠確實掌控他們的量子位元。「由於這個實驗牽涉到的是隨機演算法,所以那個演算法不會有什麼實際的用處,」馬丁尼斯說:「但是我們仍然可以將輸出的實驗結果,和電腦模擬的結果做非常精確的比對,而確定實驗和理論是彼此吻合的。」

面對年底即將來臨的挑戰,雖然他們終究必須搞清楚所有的細節,但是馬丁尼斯他們對於設計那個49-量子位元的電腦已經有了大的圖像。由於研究團隊已經成功的建造而且測試過了9-量子位元版的量子電腦,馬丁尼斯說:「我們事實上對於這個任務大大小小的部分,感覺都還頗為自在。」

離廣泛的使用有相當距離

在製作49-量子位元版的電腦之前,團隊會先將系統擴充至20或30-量子位元。將一座量子電腦容量加大一倍。有點像從已經掌握的單核電腦技術,去製作一台雙核的電腦。馬丁尼斯說:「你當然必須顧慮到會出現部分交互作用,但是你一旦知道怎麼去做一個,那麼去做兩個之後再把他們兜在一起就不是太難的事了。」

1
Photo Credit:物理雙月刊
一個0.6公分乘0.6公分大小、被稱為「transmon」的量子位元原型,是谷歌在2014年運用超導線路做出來的,而谷歌將會使用49個更新版的這一型的量子位元,來執行即將進行的量子電腦測試。(Image: Michael Fang)

除了量子電腦牽涉到新的問題,那些所有實驗都會遇到的麻煩在這個工作裡也都會碰到。「我們有120條線路要接到量子位元所在的那個晶片,而且他們全部都不能出錯,」馬丁尼斯說道,「當然,差錯大概很難避免,而某些硬體也可能會失靈。」除此之外,控制雜訊也是一大挑戰:越多個量子位元等同於更大犯錯的空間。

即使有了49個量子位元,這一台量子電腦仍然離廣泛的使用有相當距離。要製造一台能取代你研究室所用電腦的「通用版」量子電腦,馬丁尼斯說道:「你需要百萬個量子位元!」

除此之外,當量子位元的製備或控制如果出現甚麼瑕疵的時候,一台通用的量子電腦需要能夠從中自行除錯。但是除錯的機制不是簡單直接的。古典電腦的除錯方法需要複製數據,然而依據基本的「不可克隆定理」,量子態是無法複製的。有學者提出過量子除錯的演算法,但谷歌電腦還不會使用那些演算法。

即便如此,學者們認為這種49-量子位元尺度的量子電腦,仍然可以執行一些特定任務,特別是化學方面的問題。哈佛大學的艾倫.亞斯普魯-辜吉克教授(Alán Aspuru-Guzik)就提到使用量子電腦來設計新材料的分子。舉例來說,他就想要來模擬製作太陽電池的有機光伏材料(按:指利用光伏半導體材料的光生伏打效應,而將太陽能轉化為直流電能的設施)。

目前,古典電腦只能類似模擬分子的量子特性,但是量子電腦內在的量子性,使其能夠對這些特性做精確的模擬。亞斯普魯-辜吉克教授就花了好多年在思考,如何將這些化學模擬的方法,轉換為量子電腦能夠讀而且操作的形式。

Klassieren
CC BY 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=3437400
生產中的太陽能光伏電池

與會的演講者也提出了執行近程計畫的流程。微軟的克萊斯塔.司福耳(Krysta Svore)講到了甚麼樣的量子軟體架構,能夠容易的撰寫及編譯電腦程式。亞斯普魯-辜吉克教授討論了一種模擬模型系統的演算法,這種演算法結合了量子電腦與古典電腦的使用,他說:「你需要安排這些電腦各司其職,讓他們做他們最擅長的事。」

其他實驗進展

在其他的議程裡,研究者們呈現了多種量子位元的實驗進展,不只是超導體類,更有半導體類的,例如矽量子點量子位元。瑞吉提計算公司(Rigetti Computing)的研究者提出了一種方法,能夠大尺度的將超導量子位元置入晶片上的積體電路。一個加拿大滑鐵盧大學(University of Waterloo)馬提耳.馬力安多尼教授(Matteo Mariantoni)所領導的團隊,發表了一種避免量子位元出錯的方法:用銦元素覆蓋住鋁超導線路,就能將量子位元屏蔽起來。


猜你喜歡


【一分鐘講堂】不只控糖護腎保心!放寬糖尿病藥物「腸泌素」給付,為什麼能減少健保支出?

【一分鐘講堂】不只控糖護腎保心!放寬糖尿病藥物「腸泌素」給付,為什麼能減少健保支出?

我們想讓你知道的是

台灣糖尿病人口超過250萬人,每年健保支出近310億元,衍生的慢性腎臟病、心臟病等共病,每年健保負擔費用也名列前茅。財團法人糖尿病關懷基金會呼籲,若能早期介入使用適當藥物控制血糖並保護器官,不但可降低糖友發生心腎病變的風險,長期還可大幅減輕健保負擔。

根據中華民國糖尿病學會統計,2000至2014年全台第2型糖尿病人口由84萬人逐步上升至220萬人,且以每年約15萬人的速度持續增加。若以此成長趨勢來看,保守估計台灣目前糖尿病人口約有250-300萬人左右,數量相當驚人。

而台灣糖尿病人口逐年攀升的結果,也反映於國內健保給付支出上。根據健保署統計,2019年用於糖尿病的醫療費用,包括藥物、總診療費、住院費、其他醫材等治療費用,總支出近310億元,名列健保十大支出第二名。

【糖尿病關懷基金會】腸泌素_一分鐘講堂_3

血糖失控影響全身器官!糖尿病心腎共病增健保財務負擔

除了糖尿病本身健保支出醫療費用極高外,財團法人糖尿病關懷基金會執行長,台大醫院內科部臨床教授李弘元醫師表示,「糖尿病同時也是很多疾病的根源,若血糖控制不佳,將進一步影響全身血管與器官。」

尤其糖尿病引起的腎病變,可謂造成國人洗腎最大元兇之一,而腎臟病更是健保「最燒錢」的疾病,根據健保署2019的統計,慢性腎病治療費用高居「10大燒錢國病」之冠,全年度支出高達533億元。

根據統計,台灣有超過三成的糖尿病患者同時併有心血管疾病,健保署同年統計也發現,慢性缺血性心臟病治療費用全年度達122.66億元。綜合上述可知,光是將糖尿病與慢性缺血性心臟病、慢性腎病的健保支出加總,費用就相當可觀,足見糖尿病防治刻不容緩!

想減少健保負擔?糖友控制血糖更要盡早保護器官預防共病

有鑑於此,想要減少健保負擔,及早介入糖尿病患用藥與治療,避免血糖失控引起後續共病的發生非常重要。李弘元醫師指出,「近年來國際上對於糖尿病治療觀念有大幅度的轉變,不再是單純控制血糖,更要盡早保護器官。」

美國糖尿病學會(ADA)最新公布的治療指引,便建議醫師應從糖尿病患者治療初期就評估心血管疾病與腎臟病等共病風險,而腸泌素(GLP-1 RA)與排糖藥(SGLT2抑制劑)即為指引建議優先考慮使用的藥物。

腸泌素不只穩定血糖、體重,研究:更能減少心腎共病風險

其中,腸泌素在穩定血糖、減重、減緩共病上都有優異表現。但到底什麼是腸泌素呢?李弘元醫師解釋,腸泌素是人體腸道原本就會分泌的一種蛋白質激素,能促進胰島細胞分泌胰島素,並抑制升糖素分泌,達到調控血糖的作用。

腸泌素同時還能進一步作用在人體胃部,抑制胃的排空(胃的排空速度變快便容易產生飢餓感);並促進大腦中樞神經產生飽足感,對於體型較胖(糖胖症)的糖友也有輔助控制體重的益處。

且國外大型研究數據顯示,在血糖控制相同的狀況下,相較其他控糖藥物者,選用腸泌素治療可減少14%的心血管疾病風險、21%的腎病變發生及12%死亡率。因此,腸泌素自然也成為近年來全世界的各大糖尿病學會指引建議的優先治療選擇。

台灣腸泌素藥物健保給付有多嚴格?為何糖友看得到用不到?

雖然腸泌素在臨床益處顯而易見,可受到健保財務吃緊,2019年起健保給付限縮影響,目前國內腸泌素健保給付僅限於糖化血色素達到8.5%,且時間持續長達6個月;或已發生如心肌梗塞、缺血性腦中風等重大心血管疾病者。

但因為多數醫師不會眼睜睜看著病人血糖持續居高不下,大部分在糖化血色素超標但未達8.5%之前就會調整藥物,導致健保給付門檻和臨床狀況有極大落差,使糖友們看得到卻用不到。

糖化血色素換算平均血糖值

  • 正常血糖控制目標:空腹血糖130 mg/dL、餐後血糖160-180 mg/dL、糖化血色素7%以下(根據不同年紀與臨床狀況,控制目標會有些微差異)。
  • 糖化血色素8.5%時:平均血糖在200 mg/dL以上,相當於空腹血糖接近200 mg/dL、餐後血糖250-260mg/dL,而這樣的數值離建議目標有一段距離。

李弘元醫師指出,如不符合上述健保給付標準者須自費使用腸泌素,每個月平均要花上3000至4000元的藥物支出,還不含門診掛號、診療、照護等相關費用,長期累積下來金額相當可觀。

因此在現行健保給付條件下,造成很多糖友即使血糖控制不佳,卻因經濟不允許,無法及早使用腸泌素治療,進一步增加衍生心腎共病的風險。此一結果不僅對糖友病情控制是一大打擊,長期也反而更無助於降低整體健保財務支出。

3年就回本!糖尿病關懷基金會:盼下修腸泌素健保給付條件打造雙贏局面

而對於此一現況,李弘元醫師強調,雖然他認同為維持台灣醫療體系長久運作,健保財務考量有其必要性。但就長遠目標來看,腸泌素現有的健保給付標準不僅在臨床實務上有違常理,更不符合國際現況。

李弘元醫師進一步分享,綜觀亞洲地區鄰近國家的藥物給付標準,在日本、韓國、中國大陸都沒有針對腸泌素訂定類似的使用限制;全世界目前也沒有任何一個國家像台灣一樣,必須糖化血色素超過8.5%以上,且持續長達半年才能開立。

同時,李弘元醫師表示,根據糖尿病學會與醫療經濟學專家的計算數據顯示,若能將腸泌素給付標準從糖化血色素8.5%下修到7.5%,雖然短期內藥費支出會增加,但在第三年起即可因減少重大心腎併發症支出,減輕約2300萬點健保支出,相當於前兩年增加藥費支出的總和;且於第四年與第五年分別可節省約6800萬與1億2400萬點,長期下來,有望減少的健保支出花費將相當可觀。

總結來說,如未來相關單位有機會放寬給付標準,幫助糖友盡早使用腸泌素介入治療,不僅有助節省健保開銷,對糖友來說也有器官保護、降低死亡率的益處,是患者與社會皆能受惠的雙贏局面。


猜你喜歡