IBM Q 量子電腦讓我們再次經歷偉大的「1940 年代」

作者 | 發布日期 2017 年 03 月 22 日 13:18 | 分類 尖端科技 , 精選 , 電腦 follow us in feedly

3 月 6 日,美國 IBM 公司發表了嶄新的 IBM Q 量子電腦。很多人以為這只不過是科學家手工打造出來用於宣傳噱頭的實驗室製品,其實不然,這是 IBM 第一款商用可量產的量子電腦產品,2017 年不只是 2017 年,而是量子電腦實用化的元年。



對於量子電腦而言,「這是開拓的 1940 年代!」IBM 公司的 CTO 兼量子計算、科技策略、大型電腦副總裁的史考特·克洛德(Scott Crowder)表示:「這不是 1960 年代或 1970 年代,而是 1940 年代。我們還處於早期發展;IBM 仍然在推動許多基本的基礎建設,同時我們正在努力讓更多人能運用這些系統。」雖然很多人以為 IBM Q 是從 IBM 研發中心到 IBM 商用大型主機的「接力交棒」,克洛德認為這不是一刀切,科研跟商業部署仍然是夥伴關係,但「這絕對是一個從純科學研究到工程發展和商業化的轉折點。」

1940 年代到底具有什麼意義呢?因為第二次世界大戰的當時,就在烽火交加中,現代意義的通用數位電子電腦的鼻祖 ENIAC 誕生了,用於計算砲兵彈道與氫彈設計。其設計嶄新,現代自動化程式必要的迴圈、分支選擇、副程式等都已經出現(雖然當時是用開關切換、電纜線穿接來「寫」程式),只要改變程式,通用電腦就可以應用到不同的用途,這把傳統機械式(如打孔機計算器)、電機式(使用繼電器)的計算機都掃進了歷史。

回看 1980 年代中,量子計算還只是知名理論物理學家理查‧費曼(Richard Feynman)提出的純理論,要不然只在科幻作品裡存在;而 2017 年的現在,量子電腦不但在實驗室打造出來,而且開始走向實用化了。量子電腦將會如何影響我們的日常生活呢? IBM 希望透過 IBM Q 來尋求解答。

IBM Q=2017 年的 ENIAC?

當新聞稿發表以後,大眾最關心的,莫過於何時量子電腦會上市?IBM 宣布,未來幾年內將把這通用量子電腦交貨給合作夥伴。該公司還表示,打算在未來幾年內打造到約 50 個量子位元(qubit)的系統。

什麼是量子位元呢?傳統的位元(bit)是非 0 即 1 的「開關」(這邊 0、1 純粹表示符號),我們只要有很多開關,就可以用來編碼表示數字、文字、聲音、畫面像素等資料;然而量子位元除了可以是 0 或 1,更可以是 0 與 1 的「量子疊加」!很難理解的話,筆者用最簡單的方式解說:一個量子位元在進行觀測前,可以說是「一定可能性的 0 加上一定可能性的 1」,例如機率 16/25 的 1 加上機率 9/25 的 0,或機率 9/25 的 1 加上機率 16/25 的 0 等等,要直到進行觀測後(機率大者被觀測到),才會變成是確定的 1 或 0。

如果你覺得還是如天書般難懂,筆者用更具體的例子來比喻好了。一個量子位元就相當於一把左輪手槍,裡面放了幾顆子彈不知道。只玩一次俄羅斯輪盤,在尚未扣下扳機前,會擊發(1)?不會擊發(0)這是機率問題,要等扣下扳機以後才會知道是 0 還是 1 。量子運算上,也是以機率的形態進行,不同於傳統演算法只會得到單一狀態的結果,而是所有狀態同時存在,經過量測後才得出最後答案,這使量子計算從最基本開始就有平行性,而且有真正的亂數隨機性。

說回來,IBM 只公布了一個模糊的時間表,有些人可能懷疑:「IBM Q 此舉只是為了要在量子電腦這尖端的技術領域奪取鎂光燈,實際上沒有任何計畫吧?」取名為「Q」,實在很難不讓人聯想到經典科幻影集《銀河飛龍》(Star Trek: The Next Generation)裡的角色,全知全能的貴族連續體「Q」。

只是漂亮的公關手段?克洛德說,他們其實有非常確實的日程安排。「是的,我們內部對未來幾年的時程有一個嚴格的規劃,」他笑著說:「我們已宣布今年的目標,是向特定產業的合作夥伴提供系統。此外,我已經說過,在未來幾年內我們會將電腦升級到大約 50 個量子位元的水準。」克洛德具體提到打算讓 IBM Q 量子電腦「成為現實」,而不僅僅是「書面簡報檔案和純展示用實驗品」。

雖然 IBM 對實際的時間表三緘其口,但對其產品與市場上其他既有產品的差別到底在哪裡,IBM 則完全不保留地詳加說明。如果你有密切關注量子電腦的發展,當 IBM 早先發表 IBM Q時,你應該就已覺得疑惑了,因為 D-Wave 公司早就向企業用戶提供商用量子電腦幾年了,IBM 的量子電腦跟 D-Wave 的究竟有何不同?

相較之下,D-Wave 的產品量子位元數有 2,000 個之大,遠遠超過 IBM Q 預定要達成的 50 量子位元,然而,兩種硬體其實無法直接相比。因為 D-Wave 的設計基於「量子退火」演算法(quantum annealers,用於在龐大組合的可能性中找到最佳解),這只能解決某些特定問題,D-Wave 所開發的產品因此被批評不是通用的量子電腦,畢竟只能在特定的演算法下,大勝過傳統電腦;此外,到目前為止有很多學者,質疑 D-Wave 的電腦是否為真正的量子電腦。然而 IBM 致力打造的量子電腦,則是像古典電腦一樣,是通用,可以解決許多類型問題。

不好理解的話,以現代的數位電子式個人電腦為例,今日街上的 ATM 自動櫃員機、書店的 POS 電腦收銀機甚至任天堂的迷你紅白機(mini Famicom)等,打開其特殊外殼,你會發現它其實就是一台通用的 Windows 電腦或 Linux 電腦,只要你會置換程式,把 usb 線接上去,你可以把它改裝用在別的用途,就像把 iOS 或 Android 手機或平板刷機;然而在 1970 年代中到 1980 年代個人電腦的萌芽期,市場上也曾有過大量專屬功能的小型電腦,都是為特定目的量身訂作,先天功能就被寫死了,你可沒辦法自行「刷機」呢。

克洛德說:「我們提供的不是功能寫死的系統,而是一個通用系統,」他補充說, 「但更重要的是,量子計算的力量令人興奮,每個人得以用它探索指數等級大的範疇。」

目前,IBM 的量子電腦已被運用在化學研究領域,而未來可能的應用方向,可能還有:

  • 新藥物與新材料:解開分子和化學反應的複雜性,探索新藥物和材料的可能。
  • 供應鍊和物流:尋找全球超高效物流和供應鏈的最佳路徑,例如優化假期的宅配車隊經營。
  • 金融服務:尋找新的方法來模擬金融數據和隔絕關鍵的全球風險因素,以做出更好的投資。
  • AI 人工智慧:當資料集太大時,例如圖像或影片資料,使機器學習能更加強大。
  • 雲端安全:以量子物理學的法則來提高個人資訊的安全性(真正的算術隨機性很關鍵),使雲端計算更加安全。

IBM 為了實現其計畫,不只尋找客戶,更是尋找合作夥伴。

合夥來探索量子電腦的應用

IBM 預計將在 2017 年底推出第一個能「盡早使用」的量子電腦給選擇的行業合作夥伴。然而,這不是一個從製造商購買硬體的傳統交易──該公司不只提供服務,而是把早期採用者當做「合夥人」。「對於我們第一個達成的成交對象,我們肯定希望是能密切合作的夥伴,」克洛德說:「我們希望找到能駕馭生態系的夥伴。」

量子電腦的運作,在空間、溫度和其他物理特性上有嚴格要求,IBM 的夥伴將受益於這種體系,硬體本身將由 IBM 公司提供維護和定期升級,所以 IBM 的合作夥伴將更能集中精力善用其功能。

透過過去的 IBM Experience 雲端量子計算服務,IBM 已經有良好的紀錄。 「這不像你在實驗室拼拼湊湊做出的 5 量子位元的電腦,今天它不聽話,你踢它一下,它回復運作,算出你要的結果;然後兩個月後,你又得故技重施,它才會再次聽話工作。」克勞德說。 「不,我們已經證明,我們有一台從 2016 年 5 月運作到今天的可靠量子電腦了。」

在買賣的另一層面,IBM 希望透過合夥關係,能更清楚 IBM Q 的未來生意可能性。一個公司應該如何選擇量子硬體?為什麼選擇運用量子硬體?這仍然是大哉問,與這些早期採用者協力可以較易挖出解答來。這不但幫助 IBM 本身,也幫助合夥公司在量子電腦的業務優勢變明確之前就先搭上列車。然而  IBM 在企圖領先業界之餘,也尚未打算放棄其傳統的數位電子計算業務。

量子電腦與傳統電腦的共存?

關於這個問題,克洛德解釋說:「傳統電腦做得好的,是循序反覆批次儲存、處理大量資料,它們做的比今天的量子計算更有效率,就我所知,即便未來這也不會變。理論上,通用量子電腦可以做一個傳統電腦能做的任何功能,但在我看來,它們在處理大量的資料時不在行。量子電腦所擅長的,是當一個問題的解答有巨大的可能範圍時,從中快速探索出最好的答案。」

IBM 並非將量子電腦視為傳統電腦譜系的下一世代,而是旁枝的全新硬體類別,有自己的優勢與缺點,以及在一些重大應用方面有十足潛力。

當然,它仍然是不成熟的科技。近年來,世界各地研究人員在運用大型通用量子計算機工作上取得巨大進展,但在零散的潛在應用方面卻沒有什麼進展。這是一個惡性循環。「大約 20~25 個量子位元的電腦,仍然可以在你的筆記型電腦上模擬,」克洛德說。 「但到了 40、50 量子位元時左右的量子電腦,就算用現在世界上最大的超級電腦,也不可能模擬出來,這有一個有趣的不連續性。」

「你得實際使用過量子電腦系統,才會真正了解如何設計適於量子電腦的演算法和使用案例,」他補充說。 「你無法在傳統電腦上模擬這件事。」

量子電腦缺乏 benchmark

關於打造通用的量子電腦,目前還處於早期的「40 年代」,甚至連評比不同量子電腦的標準方法都還沒有,沒有一個好的客觀的 benchmark,不同的量子電腦廠商間的競爭,就會流於各說各話,行銷話術滿天飛,客戶很難買到適合的產品。因此 IBM 希望透過一個稱為量子卷(dubbed quantum volume)的量測法來解決這個問題,它考慮了量子位元的數量、量子操作的品質、量子位元的連接性、相干時間(coherence time,指物理波動上的相干)、並行性等。

「這一切總和起來,可以告訴你量子電腦到底有多強大,就在於它可以探索的空間之大,」克洛德說。「我們是很開放的,IBM 歡迎其他人也能來參與且完備這個測量基準。有了這一類基準,隨著時間推移,人們才能容易地衡量:這個量子電腦跟那一台量子電腦比;這一代量子電腦與下一代量子電腦比,哪一台更強大?」

「沒有比較基準」,這就表示說,要將量子計算從有希望的理論轉變成可行的商業產品,還有很多配套的工作得進行。「就像我說過的,我們還在 40 年代,」克洛德說。「我們還沒有一個基準來分類量子電腦系統的強大程度,但我認為,你會在未來幾年看到這件事快速發展,因為 IBM 和其他公司會繼續提高這些電腦的等級門檻。」

量子價值量測、與 IBM Q 合作夥伴的關係、IBM Experience 等等,IBM 正勞心於各項基礎建設,要使量子計算成為其商業利益的關鍵組成,這些建設將在未來幾年見真章。克洛德說:「我們確信,我們已經抓到了關鍵點,這條路將在不久的將來帶我們看到通往更大的系統。」

投入大量時間和資源研發, IBM 要把量子計算商業化的雄心壯志不言可喻,如果加上能找到優質的合作夥伴,IBM Q 將可以將實驗室的技術實用化,應用於現實世界中,我們大家可以拭目以待,科幻片裡描述的量子電腦紀元是否即將到來?

(圖片來源:Flickr/IBM Research CC BY 2.0)

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