現在我們或者可以說,量子電腦已經成真。最近Google在《Nature》期刊發表了量子運算研發上的新成果,開啟了一個全新的運算時代。Google的科學家證明以量子處理器能解決傳統電腦可能要花費好幾年時間才能解決的運算問題。而到目前為止,還沒有人能以長時間維持量子相干性(quantum coherence)。

量子電腦的運作原理與傳統電腦大相逕庭:經典的位元是1或0,但是量子位元(qubit)可能同時以更多狀態存在。一個由美國加州大學聖塔芭芭拉分校(University of California, Santa Barbara)實驗物理學家John Martinis以及Google領軍的研究團隊表示,他們開發的量子電腦已經能在特定運算上,達到一般電腦無法實現的性能──若以典型最佳性能超級電腦來執行相同的運算量,可能需要1萬年的時間才能完成。

表徵量子位元的基礎特性與所謂的干涉(interference)有關;還有一個重要的特性是關於量子位元被糾纏/纏結(entangled/intertwined)而導致深度關聯的可能性。簡而言之,這意味著量子運算能夠以前所未見的速度進行運算。

科學家與工程師們長時間以來都在研究如何控制量子位元,而要利用其特性並因此維持量子相干性,會需要高效率的熱管理系統。此外,量子位元必須要被隔離在特定的實驗室條件下,否則就會崩潰。到目前為止,超導體──能在零度以下運作良好的金屬──被應用,包括IBM與Google都實現了以絕緣體隔開、由兩股超導體組成的約瑟夫接面(Josephson junctions);還有其他例如Microsoft押注的拓撲量子電腦(topological quantum computing)。

Google在實驗中執行的運算案例是控制量子亂數產生器的輸出,儘管是一個有侷限性的例子,仍代表了在科學上的重大成果。在美國太空總署(NASA)的網站上也發佈了Google的實驗成果;NASA是Google在量子運算研究上的合作夥伴。

針對Google所達成的「量子優越性」(quantum supremacy),澳洲雪梨新南威爾斯大學(University of New South Wales)的量子物理學家Michelle Simmons表示:「看來Google讓我們看到第一個能在現實世界系統中證實量子運算速度的例子。」

Google的演算法是在54量子位元的量子晶片中執行,這種晶片以超導體迴路組成;一般來說,以運算為用途的機器會需要上百萬的量子位元,因此這樣的數字只是一小部分。

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Google研發的量子電腦。
(來源:Google)

主要的解決方案測試,是比較來自不同一般電腦──包括美國田納西州橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Laboratory)的Summit超級電腦──所執行的運算模型;Google的團隊評估,就算內含上百萬處理單元的一般電腦,若執行相同的運算任務會需要1萬年時間,然而量子電腦只花了3分20秒就完成。

接下來研究團隊要進行的是量子電腦最佳化,以執行更複雜的任務;物理學家認為,這對於實現大規模量子電腦非常重要。Google也努力推動更進一步的技術進展,以證明量子運算的超級性能,甚至是能發揮於未來的商用市場。

若有一天能實現通用的量子電腦,將會對研究領域以及我們的社會帶來根本性的衝擊;量子運算與人工智慧有可能催生我們前所未見的事物。

Google分享其最新「量子優越性」實驗成果。
(來源:Google)

編譯:Judith Cheng

(參考原文: Quantum Computing is now!,by M. Di Paolo Emilio)