在「古典運算」(classic computing)中,不確定性是不可接受的。然而,對於「量子電腦」(quantum computers)來說,不確定性正是它的優勢。量子電腦天生具有瞭解世界的學習能力,透過概率統計的方法探索多種答案,以產生複雜的決策。

什麼是量子運算?

量子電腦在涉及數字或處理大量輸入的資料時表現極為出眾。它們專門設計用於解決複雜的問題——這些問題如果採用超級電腦可能經過好幾天的運算也無法解決。量子電腦可以透過電子或質子的形式來模擬宇宙的次原子粒子。如今,我們正處於量子運算典範的起步階段,這一典範註定將會對我們掌握化學、生物學和物理學產生重大影響。

有趣的是,量子電腦並不一定都比古典電腦更快,而只是對特定類型的運算處理速度更快。或許並不是每項操作都比較快,但使用特定演算法得出結果所需的運算次數則呈指數級地減少。

量子運算如何運作:基礎篇

我們已經習於基於處理器(使用電晶體執行計算)的二進位電腦,其開、關、1、0…等狀態完全可預測。然而,量子電腦完全改變了這一遊戲規則。在這個新領域,古典系統中以0和1的處理和儲存被「量子位元」(qubits)取而代之,並成為量子資訊的基本功能區塊 ,體現了雙態量子力學系統。這些量子位元的強大之處在於其與生俱來的指數級擴展能力,如此,雙量子位元的電腦可同時執行4次計算,3量子位元電腦可實現8次計算,而4量子位元電腦則可執行16次同步計算。

量子運算的基本屬性是疊加(Superposition)、糾纏(Entanglement)和干涉(Interference)。

疊加是量子系統同時處於多種狀態的能力。量子疊加可以用丟擲硬幣來比喻:硬幣可為頭像(1)或反面(0) ——如同傳統二進制的概念。然而,當丟擲硬幣使其在空中轉動時,硬幣不停地在頭像和反面轉換(就像是同時為1和0),到它真正落地後,才知道最後落在那一面。在進行測量之前,電子都是以量子疊加態存在。

糾纏也是量子的屬性之一,透過將物件永久糾纏在一起而實現物件的連接。如果為量子電腦添加額外的量子位元,一個50量子位元的量子電腦可以同時檢查2的50次方種狀態。這種能力的增強再加上量子位元糾纏,使得量子電腦以更少的計算更快地找到解決方案。

干涉則用於控制量子態,並放大引導至正確答案的訊號,同時刪除導致錯誤答案的訊號。

同調/去同調(Coherence/decoherence) :量子電腦對於雜訊和環境效應極為敏感,即相關態時間很短。遺憾的是,資訊也只能保持量子相當短的時間。因此,在資訊遺失之前可以執行的運算次數是有限的。提前瞭解量子資訊退出相關態的時間有多長至關重要。

量子晶片必須保持在比外太空更冷的環境中,以盡可能長時間地創建量子位元的疊加和糾纏。在稀釋致冷低溫系統(dilution refrigerator)中的量子位元通訊,是採用校準微波脈衝實現的,從而可使量子位元進入疊加態,或者透過在兩個量子位元之間施加微波脈衝,使量子位元的狀態從0轉到1。微波訊號也可以產生量子糾纏。為了尋找問題的解決方案,量子電腦可將問題的一部分編碼為複雜的量子態並對其進行控制,以使其更接近於解決方案——但要獲得最佳解決方案還需要多次操作才能實現。

量子電腦提供的答案以概率的形式出現。當問題重複時,答案可能不同。問題重複的次數越多,結果越接近理論百分比或正確答案。為此,程式碼必須有效設計,才能讓量子位元處於特定問題的正確狀態。量子程式碼使用波狀屬性,以消除錯誤並放大正確答案。

應用

隨著技術的發展,量子運算可望有助於許多領域獲得重大進展,從化學和材料科學到核子物理以及機器學習等。其主要應用包括:

  • 機器學習
  • 超催化劑設計
  • 醫學
  • 化學
  • 氣候變遷/地球科學
  • 電池化學
  • 材料科學
  • 工程學
  • 人工智慧
  • 資訊安全
  • 仿生技術
  • 能源
  • 太陽能電池
  • 金融服務
  • 供應鏈和物流

3 types of quantum computing

圖1:三種已知類型的量子運算及其應用、通用性和運算能力。(來源: Carl Torres for IBM Research)

動手開始量子運算

那麼,如何開始量子運算?根據IBM特聘研究員、IBM Research量子運算軟體資深經理Marco Pistoia,「工程師應該先熟悉量子運算的基本原理,例如疊加和糾纏等概念。」

網路上開始出現很多透過雲端服務提供的線上課程,包括一些免費的課程。無論您是想要利用這項技術來成就職業生涯的未來,或只是對其功能感到好奇,都可以參與其中並嘗試使用該技術。儘管目前只是該技術發展的早期階段,但已經是全球都可以接觸到了。我們可以從下面提到的這些地方入手。

IBM

「為了讓科學家、工程師甚至學生更容易接觸到量子運算,IBM推出了基於雲端的公共IBM Q Experience和開源Qiskit平台,藉此得以接觸到真正的量子硬體。量子程式則可用Python編寫。」Pistoia說:「到目前為止,已有超過145,000名使用者在IBM Q Experience系統上執行超過1,000萬次的實驗了,並發佈了170多篇相關研究論文。這種廣泛的全球互動在當前所謂的『雜訊中型量子』(Noisy Intermediate Scale Quantum,NISQ)時代至關重要,從業人員已經可以在量子電腦上進行實驗並學習量子運算編程模型。」別擔心自己只是個初學者;在眾多可用的使用者指南中,總有一個是為初學者準備的。

D-Wave

D-Wave Systems致力於量子退火架構,而非通用的超導技術。D-Wave開發的Leap平台讓任何人都可以註冊,取得每個月1分鐘的時間免費利用其基於雲端連接的2000Q量子電腦。由於量子運算可以在幾毫秒內解決問題,包括質因數分解、最佳化路徑或計算分子結構,因此,1分鐘已是很充份的一段時間了。

Rigetti Computing

Rigetti的Forest SDK是一個輕量級、可下載的軟體開發工具(SDK),它包含一個功能強大的QVM並可在本地電腦上執行。這是開始量子編程的極佳方法之一,讓用戶能夠在不到10行的程式碼中創建量子糾纏。

量子運算的最新進展

不斷出現的新聞標題證實了量子運算領域的快速發展。儘管量子運算還不能實現任何在古典電腦上無法完成的運算,量子批評家隨時準備出擊,但量子支持者已經加入了這一波浪潮,而創投業者也很自然地掏出錢來了。

目前投入該技術的公司即是量子運算的業界大佬。IBM、Google、英特爾(Intel)、微軟(Microsoft)、D-Wave Systems和Rigetti Computing僅代表了其中幾家,這個產業同時也展開雙臂擁抱新創公司。

D-Wave Systems為需要基於高度推論進行決策的應用提供了獨特的量子退火演算法。其解決方案由於專注於實現最佳化,從而取得了最低能耗的解決方案。D-Wave最近發佈其「雜訊」最低的Pegasus平台,並提供了即時線上量子運算環境Leap。Leap是D-Wave Quantum Cloud Services系列的最新成員,幾乎可為任何人提供虛擬化量子運算,只要你擁有電腦和寬頻連線。

英特爾並非最早投入這一領域,但已在此取得了長足進步。該公司最近的兩項成果包括Tangle Lake 49-qubit超導量子處理器以及一款完整的測試晶片,該測試晶片包含基於個別電子自旋的26個量子位元,基於個別電子的自旋,目前正由荷蘭台夫特理工大學(Delft University of Technology)進行測試。

IBM Q System One

圖2:IBM Q System One(來源:IBM)

今年早些時候,IBM宣佈推出業界首套商用系統——Q System One,僅供IBM Q Network組織使用。IBM Q量子電腦透過基於雲端的IBM Q Experience以及供商業和科學應用的商用IBM Q Network平台,導入了可編程的通用量子運算。該公司聲稱其Q System One是量子運算朝向穩定性和商業研究邁出的一大步。它還與Exxon Mobil合作開發可用於預測氣候模型和電網管理的網路。

Google繼推出其基於雲端的72量子位元Bristlecone量子處理器以及在量子電腦上執行演算法的開源架構Cirq之後,緊接著又發佈了一款專門解決化學問題的量子演算法開發平台——OpenFermion,以及將量子模擬演算法編譯成Cirq的開源工具庫OpenFermion-Cirq。Google宣稱,Bristlecone將很快地實現「量子霸權」(quantum supremacy),屆時其量子設備將可以執行古典超級電腦無法適時完成的任務。

Rigetti quantum computer

圖3:低溫環境中的量子電腦晶片。(來源:Rigetti Computing;攝影:Justin Fantl)

Rigetti Computing新推出的量子雲端服務(QCS)包括一款為雲端量子編程而設計的軟體工具套件——Forest。Rigetti還公佈了其號稱世界上最強大的量子處理器,這款128-qubit的機型比Google的72-qubit Bristlecone晶片更高一籌。目前,QCS使用者只限於使用一款16-qubit晶片,服務對象也僅限於Rigetti的特定客戶和合作夥伴,更廣泛的服務將於2019年底前推出。該處理器讓QCS的量子演算法速率比其目前的雲端設置提高了20至50倍,不久之後還會進一步加速。Rigetti並聲稱已經找到了所謂的「甜密點」(Sweet Spot)——量子位元在此對雜訊較不敏感,並能以高達99.2%的準確度運算兩個量子位元閘。

跨越量子霸權之後…

儘管量子電腦描繪的藍圖令人興奮,但有人認為真正的量子電腦可能還需要幾十年的時間才會出現。然而,鑑於其進展極其快速,那一天可能會更快到來。「摩爾定律」(Moore’s Law)並不適用於量子運算。相反地,量子電腦遵循的量子物理定律距離摩爾領域相當遙遠,這也許會為我們帶來加速發展的提示。

根據《量子雜誌》(Quanta Magazine)資深作家Kevin Hartnett在其發表的一篇文章中提到,Google量子人工智慧實驗室(Quantum Artificial Intelligence Lab)總監Hartmut Neven創造了所謂的「內文定律」(Neven's law)——以傳統電腦的運算能力為基礎,從而比較量子電腦運算速度進展的規則。他表示,量子電腦正以相對於古典運算能力「雙倍指數級」的速度取得運算能力——即展現非常驚人的速度進展。Neven稱,這就好似有一段時間什麼都沒發生,然後突然間進入了一個完全不同的世界。

從瞭解宇宙大爆炸(Big Bang),到為各行各業提供數字與資料處理,量子運算將繼續以突破瓶頸的速度進展。接觸並掌握量子運算,現在就「動起來」!

(參考原文:The basics of quantum computing—A tutorial,by Carolyn Mathas)

本文同步刊登於電子技術設計雜誌2019年9月號