量子計算到底厲害在哪?發展到哪?不懂資訊工程看這1本就懂!

量子計算到底厲害在哪?發展到哪?不懂資訊工程看這1本就懂!

量子計算到底厲害在哪?發展到哪?不懂資訊工程看這1本就懂!

本文摘自真文化出版《量子電腦和量子網路》

量子計算將如何重新定義:Hello, World!

第一代電腦是手工編程的,起先是將開關和燈重新布線,然後是在卡片上打孔。今天,程式人員不太需要考慮實際執行命令的微型電晶體。在物理學家和工程師努力解決量子硬體問題的同時,電腦科學家也在爭先恐後開發軟體程式和基礎設備,而這些程式和基礎設備將在嘈雜中型量子時代以及未來以量子設備為中心時運作。微軟的切坦.納亞克表示:「內燃機不等於汽車。汽車需有輪子、方向盤以及儀表板,顯然還要配備衛星定位系統。汽車由很多東西組成,只有百分之五十或七十五的汽車零件,仍稱不上是一台汽車。」

所以,現在Google、微軟、IBM和其他公司(包括總部設在伯克萊的Rigetti公司)都在研究位於量子電腦之上的那一層,就像編譯器和操作系統讓你免於直接解譯電腦中0、1組合的電腦語言。Google的瑪麗莎.朱斯蒂娜表示:「現在我們編寫的量子電腦程式幾乎是機器代碼,非常接近硬體。我們沒有任何可以將硬體抽象化的進階工具。」

在微軟公司裡,具有電腦科學背景的克里斯塔.斯沃爾協助開發了Q#(發音為「q-sharp」),這是首批特殊編程語言中的一套,其設計專為處理所有類型的量子電腦的怪癖。它能在離子阱量子電腦上運作,也能在使用傳統硬體的虛擬量子電腦上運作,更能在微軟無從捉摸的拓撲量子位元的量子電腦上運作,且可以在這些狀態中輕鬆切換。斯沃爾說:「我們知道量子電腦還會一直發展,但這套程式碼會繼續使用下去。」

Google的Cirq和I B M的Qiskit都是開源框架,都將幫助研究人員在嘈雜中型量子時代開發演算法。正如我們在上一章看到的,企業也在商業上推廣這項應用:IBM已經與埃克森美孚、巴克萊銀行以及三星等一百多家公司就實際應用事項展開合作;微軟旗下的Azure量子公司,允許其客戶連接IonQ的離子阱量子電腦以及總部設於康乃狄克州Q C I公司所開發的超導量子位元。

IonQ的彼得.查普曼認為,這些發展將讓我們能夠開始為量子編寫「Hello, World!」的程式(指螢幕上的簡單訊息,這是大家剛開始學習如何編碼時第一件會做的事)。最終,它們將幫助沒有量子物理學或電腦科學學位(或是兩者皆無)的人,了解量子設備的複雜性。技能是拼圖的最後一塊。朱斯蒂娜認為:「大學尚未開設相關科系,而且這方面的知識尚未形成一個學門。為了實現這一願景,我們須在編寫程式方面具備更多專業知識。」

傳統計算與早期量子的計算有很多相似之處

傳統計算與早期量子的計算有很多相似之處,兩者的一些設備看起來甚至很像,比方紛亂的電線從地板一直延伸到天花板。但是,傳統電腦曾在幾十年間僅用於學術實驗室和軍事設施,等到一九九○年代個人電腦流行後,它才真正普及到大眾。

但是量子電腦則不同,大家將很容易透過雲端加以掌握。這點可能意味著,新應用程式開發的速度差異會很巨大,因為程式人員(甚至感興趣的業餘愛好者)都可以利用量子位元來試試身手,或是嘗試將自己的想法付諸實現。

最終,量子電腦的終端用戶可能不會意識到自己正在使用它。你的設備中永遠不會有量子晶片,因為你只會透過雲端來運用它的威力。各種不同類型的量子處理器(超導、離子阱、模擬)將成為自動選取的技術資源之一。IBM的瑞爾認為:「我們預期,大家都使用一般的軟體,遇到問題時,雲端便會進入所有這些類型的電腦,然後決定要在哪一台上處理問題。」

當然,普通人不太可能需要直接與量子電腦打交道,就像你今天不需要利用世界上最快的超級電腦來查看電子郵件或是進行文字處理。而且,永遠也不會出現內建量子晶片的iPhone Q。但是量子電腦可以協助我們找到讓手機運作更長時間的電池材料、設計效率最高最理想的電路、最佳的網路瀏覽器搜尋演算法,還有無人機送貨到府時所採取的最快路線。

量子優勢可能要再等五年甚至五十年才會來臨。今天,量子科技的成就有被誇大之嫌,可能還存在一些重大的障礙,導致量子位元的數量無法增加,或者無法克服一定程度以上的雜訊。阿圖爾.埃克特一九九四年的演講開啟了量子霸權的競賽,並協助該領域走到今天的這一步,不過他認為我們仍然需要一些重大的技術突破,好比電晶體的發展從一九六○年代開始改變傳統電腦。

有了量子,我們就脫離了晶片製造商互別苗頭、爭相生產最佳硬體的時代;我們正處於真空管和機械閘的時代,研究人員都想知道自己正在嘗試的事是否可行。就某種意義上而言,埃克特坦言自己實際上希望那是不可行的。他說:「如果我們因為實際根本的原因(比如出現一些新的、根本的物理定律)而無法造出量子電腦,那種局面將更美好。」 一台實用的、能更正錯誤的量子電腦可以改變世界。

藉由利用量子物理的不確定性,它可以徹底改變醫學、加速人工智慧並顛覆密碼學。但在研製量子電腦的這場戰鬥過程中,將可以揭示宇宙自身的根本真相。Google的量子研究員陳宇(Yu Chen,音譯)表示:「這不是企業之間的競爭,而是我們對抗大自然的科技。」

認識量子電腦前的必備名詞解釋

認識量子電腦前的必備名詞解釋

傳統電腦(Classical computer)

幾乎有史以來的每一台電腦(從戰時的密碼破譯機到口袋裡的手機)基本上都以相同的方式運作,也就是借助於數百萬個稱為位元的微型開關。

退相干(Decoherence)

當量子位元由於環境干擾或是雜訊影響而脫離精密的疊加狀態時,我們就稱之為退相干。

糾纏(Entanglement)

兩個粒子連接或「交纏」的方式。在這個現象中,對其中一個粒子所做的任何事,都會發生在另一個粒子上,而且不論它們之間的距離多遠。

摩爾定律(Moore’s law)

一九六五年,英特爾的共同創辦人戈登.摩爾預測,安裝在一個晶片上的開關數量(稱為「電晶體」)每兩年就能增加一倍。

嘈雜中型量子(NISQ)

NISQ是noisy intermediate scale quantum的首字母縮寫詞,物理學家約翰.普雷斯基爾新創的術語,指一個量子電腦雖已存在,但還不夠強大,無法履行人們期待的全部功能。

量子優勢(Quantum advantage)

IBM和Microso_比較喜歡用的術語,指唯有量子電腦可以執行其他辦法都行不通的情況。

量子霸權(Quantum supremacy)

該術語二○一九年由物理學家約翰.普雷斯基爾新創,指唯有量子電腦可以做到而傳統電腦做不到(無論這些事情有用處與否)的情況。

量子位元(Qubit)

與普通電腦晶片中僅可代表1或0的位元不同,量子位元(qubit,quantum bit的縮寫)可以同時表示兩者。

超導量子位元(Superconducting qubit)

Google和I B M正在建構的「超導量子位元」,所依賴的是能改變電子行為模式的極度低溫以及具奈米間隙的金屬環(稱為約瑟夫森接面)。微波脈衝被用來改變量子位元的狀態。IBM會改變這些脈衝的頻率以調節製程的變化,而Google則使用磁場來「協調」量子位元。

疊加(Superposition)

同時具備1和0的狀態稱為疊加,可比喻成一枚被丟出去、尚未落地的硬幣。

拓撲量子位元(Topological qubit)

僅能持續幾分之一秒的超導量子位元。微軟正在研發的拓撲量子位元可以同時將訊息儲存在多個地方。此舉應能使這種位元持續更長時間,並變得更強大,但實際上可能無法製造出來。

變分量子演算法(Variational quantum algorithm)

變分量子演算法使用量子電腦和傳統電腦的混合體來加快計算速度。該演算法並非嘗試使用有限量子位元的量子電腦來進行全面計算,而是利用可掌握的資源來猜測最佳的解決方案,然後再將結果交付傳統電腦。將量子處理流程拆分為更小的、獨立的步驟,意味著你可以使用比其他方式所需更少、更嘈雜的量子位元來進行計算。

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