深入淺出探索量子技術

作者 : Elizabeth Ruetsch,是德科技量子工程解決方案總經理

過去幾年來,新的元件與技術已開始與各種新舊學科結合。類比電路進一步結合量子物理學和雷射等新技術,讓研究人員開發出令人驚艷的尖端現場測量儀器。

「量子」(quantum)一詞泛指此新興領域中多項強化「量子力學」(quantum mechanics)的技術,可用於開發運算、通訊、感測、製藥、化學和材料研究等領域。物理學家也針對量子力學提出了另一套表述,來解釋奇特的新現象,例如量子干涉(interference)和糾纏(entanglement)等能讓相距甚遠的粒子產生交互作用的特性。

如果能強化物質的量子力學特性,量子技術可能會突破古典物理學的界限,提供全新的資訊處理方式,不僅速度更快、資源效率更高,更能夠使我們運算出過去研究無法獲得的結果,例如蛋白質的形成,或是預測金融系統的複雜行為。

量子技術賦予的願景

量子技術可望在很多領域展現其顛覆潛力,其可能性包括:

  • 最佳化:量子電腦(quantum computer)或許能夠更快解決艱難的最佳化問題,讓我們能克服現今完全束手無策的障礙。
  • 製藥/化學研究與建模:量子模擬(quantum simulation)協助我們了解分子和蛋白質的形成方式,並且推動化學與生物學、藥物研發和醫療保健等領域的重大突破。
  • 網路安全:強大的量子電腦能打破目前依賴大數因式分解的加密協定,例如RSA加密協定。目前,沒有任何傳統電腦或演算法,可以在合理的時間內完成這項任務。因此,透過量子運算,我們將有機會開發出全新的加密方式,以確保資訊安全。

量子運算具有超強的資訊處理能力,可帶動基礎研究、最佳化、資訊技術,以及製藥領域的蓬勃發展,而且成效遠遠超出我們的想像。

量子運算將顛覆主流市場

量子系統對於環境變化極其敏感,且運作時間越久,穩定性就越低,這使得量子系統雖擁有超強的運算能力,但也讓我們難以精準地控制。正因如此,相較於有數億個位元的傳統電腦,目前量子電腦的容量還非常小,只有幾十個量子位元(qubit),而且這些小型系統所執行的運算通常不夠準確。

為了讓量子運算邁向主流市場,我們需學習將量子系統與其所處的環境全面隔離開來,試著更精準地控制這些系統。下一步,我們必須減少在量子運算過程中產生的誤差,並將系統擴展到數億個量子位元。

以量子通訊的角度來看,目前多數的量子通訊與典型的光纖通訊應用類似,只是量子通訊對效能的要求更嚴格,也更容易受環境影響。所以,想將量子網路融入日常生活,主要的挑戰就是如何製造安全的量子中繼器(quantum repeater)。其實,一般人不太可能在家裡使用量子電腦來取代現有的傳統電腦,不過,這些技術創新還是會逐步影響我們的日常生活。

量子運算發展的資安風險

量子技術高速運算的同時也帶來了資訊安全風險。擁有強大功能的電腦帶來許多我們無法想像的應用,卻也因而帶來意料之外的風險。雖然量子電腦能有效處理涉及個人隱私的大數據(big data),但與此同時,理論上也能破解美國國安局(NSA)推動的加密演算法,造就巨大的資安挑戰。對此,研究人員需及早建立完善的安全協定,確保傳統電腦和量子電腦的安全。

例如,美國大約有1%的能源消耗用於化肥生產。這個過程效率低的部份原因在於以量子力學模擬化學反應的複雜度。量子電腦可用於模擬生物/化學過程,例如固氮酶中的固氮作用,從而提高生產效率並帶來更環保的方法。

同時,我們還要試著降低量子運算的誤差,而量子運算硬體與軟體的創新,便是克服誤差問題的關鍵。透過深入研究才能得知量子系統出現誤差的原因,並建構能有效減少運算誤差的硬體。同時,晶片製造能力已達物理極限,我們更需要推動軟體進化,以加快部署更先進的演算法。

量子運算的重大發展趨勢

除了最先進的量子運算技術外,有多個關於新型量子運算硬體的研究計畫已悄然展開,例如光子量子電腦,或基於中性原子的量子電腦,未來發展備受期待。此外,研究人員正努力開發演算法,以提升中型量子電腦的效能,希望能藉此更快突破量子運算的極限。

在通訊領域中,量子運算的主要優點是安全通訊以及分散糾纏(distribute entanglement)能力。糾纏效應是一種可以強化運算和感測能力的量子力學效應,而量子網路可以分散糾纏效應,以利建立由量子感測器或量子電腦組成的網路。如同分散式運算使用的CPU叢集,我們同樣可以建立一個用於量子運算的分散式量子處理單元(QPU)叢集。

順利的話,預計在未來10年內就能看到量子運算的重大突破;但如果我們不斷遇到新的挑戰,或是找不到克服量子運算誤差的方法,我們也只好將注意力轉移到可實現的目標上,例如製造能夠解決更多問題的量子模擬器,而非通用型的量子電腦。

量子運算的商機潛力與其他顛覆性技術息息相關,並可推動各行各業和研究單位的成長,帶來巨大進步。一旦這項技術變得可行並普及化後,任何擁有該技術的產業,都將坐享豐厚的效益。

目前全球已有多家量子運算新創公司,而IBM和Google等產業巨擘也都在全球各地建立了重要的量子運算研究據點。雖然目前主要的產業參與者都是北美企業,但歐洲、亞洲和大洋洲的參與程度也越來越高,是德科技很高興能在這一波熱潮中成為其中的一員。

本文同步刊登於EDN Taiwan 2022年10月號雜誌

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