Google、Intel、IBM与微软争相研发,量子电脑究竟有何魅力?

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量子电脑放置于2.3米高的玻璃框架内,看起来就像是一件艺术品。
2019年CES展中,IBM展示了全球第一台商用量子电脑IBM Q System One,让外界对于IBM量子电脑的真实样貌与美丽外形留下深刻印象。IBM还预计在美国纽约开设「量子运算中心」,成为世界上少数几个拥有营运量子运算技术能力、基础设施和专业知识的地方。
摩尔定律的瓶颈
在量子电脑真正大量进入我们的生活前,倒是先进入了电影与小说场域。以《达文西密码》闻名全球的推理小说家丹布朗(Dan Brown)2017年作品《起源》,就提到科技怪客艾德蒙以量子电脑运算出生命起源;2018年漫威电影《蚁人与黄蜂女》与今年的《复仇者联盟4》也都以量子领域为重要的故事元素。
不过,以量子特性打造出的电脑,并非仅能出现在科幻电影之中,事实上量子晶片雏形已经出现在地球上了,领航者包括IBM、Google与Intel等科技巨擘,也有D-wave等新创公司。
量子电脑也是欧美政府相当重视的技术。2016年,欧盟发表了量子宣言(Quantum Manifesto),启动量子技术旗舰计划;创业风气盛行的美国矽谷,量子电脑就是当红的投资题目,中国则是发射了量子科学实验用卫星墨子号上太空。
各国重视的原因,在于这将是量子力学的二次革命,1957年电晶体的发明(带动现代半导体产业蓬勃发展),只用到简单的量子力学,现在的量子电脑,利用量子的纠缠性与叠加性等物理现象,带动量子力学的第二次革命。
理论上,这个革命可以带来庞大的运算威力,因为在相同位元数比较之下,量子电脑的运算速度是传统电脑的2的n次方。也就是说,短短几秒,量子电脑就能解开现在超级电脑要花上几万年才能解开的问题,快如闪电。

虽然,量子电脑还在初步发展,就算是乐观估计,都还需要5年以上的发展时间,才会大量地展开商业应用,但量子电脑庞大的运算威力可能对国防安全带来毁灭性的影响,让各国政府不敢小觑。到底量子运算是什么?在量子科技的世界中,人们完全抛弃传统资讯处理器的概念,即抛弃利用电晶体控制电流开关来实行数位化的手段,而是用量子叠加态处理资讯的数位化,并用量子纠缠实现平行计算。
量子纠缠的特性比光速还要快,还被爱因斯坦形容为「鬼魅似的远距作用(Spooky action at a distance)」,因而增添不少玄妙色彩。除了国防安全需求,量子电脑的热潮也与半导体界著名预测:摩尔定律(Moore's law)的瓶颈有关。
摩尔定律为Intel创办人之一摩尔(Gordon Moore)在1965年提出,内容为积体电路中的电晶体数目,每隔12个月就会增加1倍;而后摩尔修正了模型,改为单位面积晶片上的电晶体数量每2年就能增加1倍。
若换算为成本,意指即每隔2年,积体电路成本可降低5成。不仅Intel,整个全球半导体业在这50多年来,大致依循摩尔定律增加电晶体的数目。

虽然,摩尔定律仅是一个技术发展预测,不是严谨的科学定律,但也让人不禁想问,摩尔定律过完50岁生日后,还能继续走多远?
摩尔定律的极限,让半导体业者从3D晶片设计、石墨烯等矽材料替代品与矽光子元件等各种方向,找寻电脑晶片的未来,量子电脑也是新方向之一。业界探讨,或许量子电脑有可能解决摩尔定律的瓶颈。
从理论上来看,一台50个量子位元的量子电脑,就能超越世界上最强的超级电脑运算力!量子电脑可能带来的极大运算力,已经成为Intel、IBM、Google及微软(Microsoft)等世界科技巨头竞相研发的领域。
科技巨头竞赛——Google取得先机
量子位元数量是这些公司的竞逐重点。Google目前研发出72量子位元数晶片Bristlecone(狐尾松),成为现今量子位元数最高的纪录保持人,而Intel与IBM则分别以49个与50个量子位元紧追在后。

在2019的CES大会上,IBM还发表20个位元的量子电脑IBM Q System One,并宣布将在2019年于纽约开设首个IBM Q量子运算中心。
目前量子电脑还在非常初期的研究阶段,外界对于量子电脑的终极影响力还不清楚,较为具体的认知是可能对于「制药动力学」、「机器学习」等领域带来革命性影响。
在众多领域当中,业界已经公认量子电脑在加解密领域将带来巨大的影响。
我们生活中普遍使用的RSA密码就是植基于『将很大的数字N作质因数分解是困难的』这件事,但Shor量子演算法将质因数分解变得非常容易。因此量子电脑将对RSA加解密系统带来毁灭性影响。
业界真正制造出量子电脑,并且利用量子验算法快速破解因式分解,那现今我们用的RSA加密就形成虚设,这也是为什么军事国防、金融及资安业,对于Shor量子因式分解演算法的威力特别看重。
待突破的2大挑战
20年内量子电脑成为个人电脑的可能性极低。量子电脑在初始,会与一般电脑一起以混合运算形式存在,如IBM Q System One就是通过古典电脑控制量子电脑,而且由于量子电脑必须在接近绝对零度(约摄氏-273度)的极度低温环境中,量子晶片也得在大型的冷却设备内运作,我们很难随身携带这么大个冰箱出门,因此量子电脑在初期会以云端运算(Cloud Computing)方式提供服务。
而且量子电脑也未必会在我们的生活中呼风唤雨,因为技术制造还有重重挑战。牟中瑜就指出,以目前最受欢迎的量子闸派别技术来看,Google虽然指称已经造出72个量子位元的处理器,但光拼「数量」还不够,还需要高品质的量子位元,才能提高运算精确度。
因此目前的量子电脑都需要加入「除错」机制,也就是说,一个量子位元,可能需要配上3至4个用来除错的量子位元,才能够提高量子位元的总体品质。也因此理论上1,000个位元的电脑,在实际执行上,可能需要成千上万个量子位元才能做出精确的运算,以目前的技术来看,20年都不一定做得到。
另外,量子状态虽然很神奇,但却有个「玻璃心」,很脆弱。量子状态存在的时间很短,连一秒钟都不到,在这个电光火石的短短时间,就要利用这些位元运算完毕,并测量全部的量子位元找出答案,这也是一大技术瓶颈。

古之立大事者,不惟有超世之才,亦必有坚忍不拔之志。

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