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「量子霸權」為什麼是電腦科學界的重要里程碑?

2019/10/01 , 評論
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Google拒絕對這份報告發表評論,但如果Google確實已經達到了這樣的里程碑,這會讓我們朝使用量子電腦的那天更靠近了一步。

文:Jeremy Kahn
譯:曾勢喨

Google的研究員聲稱他們已經達到了電腦科學界的重要里程碑,也就是「量子霸權」(quantum supremacy)。

Google研究員在一份研究報告中解釋了這樣科技突破,這份報告在本周(原文刊於9月20日)被上傳到美國航空暨太空總署(National Aeronautics and Space Administration, NASA)網站的一小段時間後就被撤下,但《財星》雜誌已取得了這份報告。

NASA與Google已經在量子電腦的領域合作了一段時間,這份報告存在在周五首先被《金融時報》所揭露。

Google拒絕對這份報告發表評論,但如果Google確實已經達到了這樣的里程碑,這會讓我們朝使用量子電腦的那天更靠近了一步。量子電腦使用量子物理的特定來進行演算,其強大的運算能力,能夠運算現今大部分超級電腦都無法運算的複雜問題。

量子電腦最被期待的功能之一就是創造新的化學物質,以製造製作氮基肥料所需的催化劑或是製造高功率電池裡面的零件,量子電腦也能被用來破解數位加密。有一天,量子電腦或許也能被用來精簡組織流程與物流服務,甚至加速機器學習進入實際應用。

但是所謂「量子霸權」,並不代表量子電腦會很快取代及普及於我們生活的傳統電腦。

什麼是量子霸權?

量子霸權指的是研究者已經可以運用量子電腦來進行一個運算任務,而這個任務是任何傳統電腦(就算是最大的超級電腦),也沒辦法在合理的時間內運算出來的。

在Google的案例中,他們的任務是確認一組演算法的產出,是否能生成真正的亂數。

根據這份報告,研究者已可以用量子電腦在3分20秒內,計算出這個極度複雜的數學運算。另一方面,高峰3(Summit 3,一台IBM製造、目前全世界運算能力最強的商用傳統電腦)則需要花1萬年才能得出這個運算結果。

量子電腦如何運作?

量子電腦利用量子力學的特性來運作,傳統電腦使用二進位制(位元)來處理資訊,亦即資訊是用0與1的方式來呈現,但量子電腦使用量子位元(quantum bits)的方式來處理資訊,這樣的量子位元能同時表達0和1。

更有甚者,傳統電腦的位元都獨立於彼此之間運作,但量子電腦的一個量子位元的狀態,會影響到系統中其他的量子位元,所以能夠協同運作來進行運算。

這兩種特性,讓量子電腦擁有遠比傳統電腦更多的潛力。

如果使用傳統電腦來進行運算,每次運算出來的答案都會是一樣的,但如果使用量子電腦,則運算的答案會有機率性,也就是說每次不一定會有一樣的答案。所以在使用量子電腦進行運算時,你需要運算同個問題上千甚至上百萬次,而這些解答若都圍繞著某個數字,則這個答案就應該是對的。

在Google的研究中,他們使用的新的量子處理器「懸鈴樹」(Sycamore),此處理器擁有54個量子位元(雖然有一個無法正常運作,所以實際研究上只有使用53個),在研究中處理了真正隨機亂數的問題超過100萬次。

懸鈴樹有什麼特別?

懸鈴樹不是世界上最大的量子處理器,Google去(2018)年就製造了一個擁有72個量子位元的處理器,而里各帝(Rigetti),一個加州量子電腦的新創公司,更說他們即將準備好要上線一個擁有128個量子位元的處理器。但Google的研究員指出,他們在一個量子位元的可活動時間(維持量子狀態)與每個量子位元的互動能力上,有長足的進步。

這樣的進步是很重要的,因為當量子位元不再維持在量子狀態後,它們會在量子電腦的計算中帶入錯誤,而這些錯誤必須用額外的量子位元來計算與排除,這種錯誤率就是為什麼你的傳統電腦能在大多數數學計算的正確率上,打敗現有的量子電腦的原因。

量子霸權會讓量子電腦比傳統電腦還優秀嗎?

不會,Google的成就只是意味著量子電腦能在這一個複雜的計算中,打敗現有最強的傳統電腦。

Google的研究者在這篇報告中指出,他們的量子電腦或許還能應用在優化、機械學習和材料科學、化學等領域。

Google新的量子電腦的硬體雖能達成量子霸權,但它能在其他領域的應用上加快多少運算速度,仍是一個未解的問題。

而且根據這份報告,Google的量子電腦的運算能力,也還不足以應對其它困難的數學問題,如破解現有的加密系統,因這需要製造非常大質數的能力。

事實上,對於大多數的商業應用來說,今日的量子電腦的運算能力與準確率,甚至還不能與傳統的筆記型電腦相比。

駭客是否可以透過量子電腦來偷走我的比特幣?

目前,比特幣與其他加密貨幣所使用的公、私鑰加密技術(public-private key encryption)是無法用量子電腦破解的,但Google的報告中預測,量子電腦將會持續以「雙倍指數」的速度來進步,所以比特幣或許很快就會不再安全了。

害怕量子電腦將會突破一般使用的加密貨幣技術,美國國家安全局呼籲各方應該採取更多元加密方式,來避免日後來自量子電腦的可能攻擊。雖然美國還沒決定建議要採取哪種演算法,許多新創公司已開始使用「後量子時代」的加密方式來幫助金融企業和政府來保護他們的系統。

我什麼時候才能在桌上擁有一台量子電腦?

不會是最近。

雖然幾乎所有可以達到量子狀態的物質都可以用來做量子位元,但目前最先進的量子系統傾向於使用超導物質,而這通常也要使用一些相當稀有的進口原料。Google懸鈴樹的處理器就使用鋁圈結合銦(indium),這是一種與銀差不多稀有的元素。

要讓這些物質達到量子狀態,並避免量子位元被外在的能量來源所干擾,量子處理器必須要小心的放在大型的稀釋冷凍機之中,使其溫度比深太空中(deep space)還要低。

在商業量子電腦的競賽中除了Google和Rigetti之外,還包括了IBM、微軟以及Intel、D-Wave和其他公司,他們計畫要讓顧客透過雲端來執行量子電腦運算,所以相當有可能的是,你永遠不會在桌上有一部自己的量子電腦。

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責任編輯:朱家儀
核稿編輯:翁世航

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