搶奪「量子霸權」，科技巨頭把量子電腦帶出實驗室

量子體系用於運算的想法，早在 1980 年代就由物理學家理察‧費曼（Richard Feynman）提出，然而量子電腦一直被視為如白日夢般遙不可及的未來，近幾年 IBM、Google、微軟（Microsoft）、Intel 等科技巨頭，紛紛投入量子電腦領域後，才讓量子電腦有從實驗室慢慢走向一般商用領域的跡象。

摩根士丹利曾在 2016 年表示，未來十年，量子電腦將對許多產業產生重大影響，更預估高階量子電腦運算市場，在 2025 年會達 100 億美元價值，各家大廠磨刀霍霍投入大量資源研發，為的就是達成「量子霸權」（quantum supremacy）目標。

「量子霸權」是 2012 年由加州理工學院物理學家焦恩‧普瑞斯基爾（John Preskill）提出的概念，意思是當量子電腦發展到 50 量子位元（qubit）時，運算能力將會超越世界所有電腦，具有解決傳統電腦解決不了問題的能力。

而目前究竟有哪些公司著墨這個領域呢？

微軟

2005 年，微軟當時就由數學家麥可‧弗里德曼（Michael Freedman）領軍，成立研究拓樸量子運算的「Station Q」實驗室，微軟執行長薩蒂亞‧納德拉（Satya Nadella）認為，量子電腦的高速運算速度可以幫助人類解決像是醫療、能源，這類傳統電腦運算需要花上百萬年時間才能解決的難題，研究人員能因此受惠加速開發出新材料、程式等。

去年 9 月也公布兩款量子模擬器，一款可實際在一個場域運作，另一款在微軟 Azure 雲端平台運作，微軟負責量子軟體開發的資深研究員 Krysta Svore 談到：「量子模擬器能讓開發人員在實體機器尚未問世的情況下開發；量子電腦能自動建模，如果是透過傳統電腦，我們不能真正了解這些流程。」

▲ 藉由程式語言 Q#，協助開發者開發量子電腦的軟體，加快量子運算走向商業化。（Source：Flickr/BipHoo Company CC BY 2.0）

去年 12 月，宣布推出一款程式語言「Q#」，可以協助開發者為量子電腦開發軟體，喊出要在 5 年內讓量子電腦進入商業市場的目標；今年 3 月，微軟研究員透過由半導體材料和超導材料製作的奈米線材，發現馬約拉納費米子（Majorana fermion）存在的證據，它是一種穩定量子訊息編碼方式，微軟希望在今年將費米子轉化為量子，並在 5 年內提供商業使用，意味著微軟在量子電腦的努力上又邁進一步。

IBM

IBM 同樣在量子運算領域深耕多年，1998 年就開發出第一個量子位元，2016 年就開發出具有 5 量子位元（qubit）的量子電腦，一年多後，IBM 就宣布研發出全世界第一台 50 量子位元（qubit）的量子電腦，並在 2018 年的消費電子展（CES）正式亮相。

公開展示 50 量子位元電腦內部結構時，IBM 研究主席 Jeffery Welse 表示，目前遇到最大的挑戰是溫度，因為量子位元可能因噪音等干擾導致數據流失，為了將干擾降到最低，必須將處理器放在比太空還冷 250 倍的低溫環境。

▲ 當量子電腦發展到 50 量子位元（qubit）時，運算能力將會超越世界上所有電腦，就稱為「量子霸權」。（Source：IBM）

Jeffery Welse 談到，IBM 有信心十年內打造出一台具備 50 到 100 位元的量子電腦，「只需要幾分鐘時間，就能得到傳統電腦花 5 天運算才能得到的結果。」雖然目前 IBM 量子電腦的應用大多是科學研究階段，但 50 量子位元（qubit）的出現，也激起不少人對量子運算的期待與想像。

Google

Google 應該可說是目前這塊領域跑得最快的公司了，今年 3 月 Google 量子 AI 實驗室（Google Quantum AI lab）公布了具 72 量子位元（qubit）的處理器「Bristlecone」，將 IBM 先前推出 50 位元處理器遠遠拋在身後。

處理器「Bristlecone」之前，Google 的量子電腦產品只有 9 位元（qubit）。依據「量子霸權」需達 50 量子位元（qubit）的定義，理論上這款處理器已比量子霸權的定義更大，但錯誤率的穩定仍是一大關鍵，先前 Google 的 9 量子位元處理器有錯誤率 0.6% 的成績，而這次官方並沒有公布 Bristlecone 的錯誤率，但仍聲明強調若錯誤率下降，將可超越目前的超級電腦，處理龐雜的運算問題，雖然目前沒人能真正達到量子霸權目標，但仍對發展相當樂觀。