下個世代運算工具,揭開量子電腦神祕面紗

作者 | 發布日期 2018 年 05 月 15 日 7:30 | 分類 尖端科技 , 軟體、系統 , 電腦 follow us in feedly

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,贏得現場群眾一陣掌聲。

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理論推導,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超越現在你我使用的傳統電腦,以更快的速度解決生活各項難題。

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,量子電腦就像眾多樂器組成的交響樂團,能同時演奏不同段落。

▲ 量子電腦就像眾多樂器組成的交響樂團,能同時演奏不同段落。(Source:pixabay

量子電腦之所以稱為「下個世代的運算工具」,是因為可多管齊下、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、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存在,但要能實際商業應用,仍有許多困難需要克服,目前量子電腦的穩定性不夠,容易受熱能、電磁輻射等外在環境干擾,必須將處理器放在絕對零度(零下 273 攝氏溫度)的環境,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需要相當困難的技術,導致量子電腦發展速度受限。

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、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 今年 3 月推出 72 量子位元處理器「Bristlecone」,雖然已達標準,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,必須將處理器放在絕對零度(零下 273 攝氏溫度)的環境。(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,高度運算複雜度,使開發人員必須具備一定程度的物理、數學、軟體工程知識,但由於初期研發的量子電腦硬體規格不一致,所以軟體大多必須客製。

量子電腦預計 10 年內就能從實驗室邁向商用,為人類生活帶來天翻地覆的衝擊。在未來世界,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雷格‧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,而是完全不同性質的新事物。」

(本文由 數位時代 授權轉載;首圖來源:Flickr/Ian Hughes CC BY 2.0)

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