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科學新知-做好準備,迎接第二次量子革命到來

 

量子運算研究趨勢報告

做好準備,迎接第二次量子革命到來

來源連結:

https://www.elsevier.com/solutions/scopus/who-uses/research-and-development/quantum-computing-report

何謂量子運算?

比方說,量子位元(傳統位元的量子版本)就不限制於非 0 即 1 的二元數字。量子位元的物理達成方式為單一光子的偏極化、電子自旋或是超導體中的電流。計算結束讀出答案時,每個量子位元會是 0 或 1 的狀態。不過,計算期間量子位元會同時處於 0 和 1 的狀態,這個現象稱為疊加效應。這個效應是量子運算的核心層面,也是量子電腦在需要大量運算效能的問題方面勝過傳統電腦的原因。第二個重要層面是量子糾纏,或一對量子位元(一個以上)發生疊加時的狀態,得以讓量子電腦發揮遠勝於傳統電腦的運算潛力。

量子運算簡史

1965 年諾貝爾獎得主 Richard Feynman 這名物理學家在 1982 年探討「量子模擬器」的機制。這是一部透過量子機制原則運作的電腦,並利用量子系統來模擬另一個量子系統的行為。牛津大學的 David Deutsch 根據 Alan Turing 的劃時代著作(該著作促成了個人電腦的發展),在 1985 年提出「量子圖靈機」和說明量子電腦執行的演算法,讓這個領域更加進步。這個領域在 90 年代中期蓬勃發展,同時有量子物理和理論電腦科學以外的研究者踏入這個世界。數學家 Peter Shor 在 1994 年提出的演算法可謂是量子電腦在現實世界的「殺手級用途」,能夠以傳統電腦無法達到的速度,快速將大數字進行質因數分解。

為什麼 Shor 演算法如此重要? RSA 加密等眾多現代加密技術的基礎概念,都是利用兩個質數的大整數乘積進行質因數分解。雖然將兩個質數相乘為大數字很簡單,但要將組成的未知質數推算回來就很困難。事實上,如果使用傳統電腦,可能需要一輩子或更久的時間才能計算出答案。然而,如果是配備大量量子位元的量子電腦,就能以極高效率計算質數(數學領域的說法:多項式時間內),讓目前網路廣為使用的眾多現代加密技術受到動搖。如果這麼困難的問題都能解決,應該還有其他事情可以解決吧?沒錯,而且是很多事情可以解決,就連破解比特幣等加密貨幣都有可能。

量子運算的巨大障礙

量子運算和量子科技廣泛領域的進展可說十分亮眼。但是,在我們能夠將一般用途的量子電腦用來處理各種事項(例如極大規模的質因數分解、運算作業或排除最佳化問題)之前,還有一些難關需要克服。困難的地方在於量子電腦的運算環境必須不受外界雜訊干擾。在運算過程中,幾乎任何與物理量子位元產生互動的元素,都會造成疊加狀態逐漸消失,失去運算優勢。這個過程稱為「退相干」。使用的量子位元數愈多,疊加狀態就愈容易受到雜訊影響。正因為如此,要實際打造出量子電腦是很困難的事。

目前來說,如果要實際採用量子電腦(例如目前利用半導體技術的產業),就必須將電腦設置在接近絕對零度的溫度,並存放在高度隔離的環境。對於量子通訊(其中一項主要領域為量子密碼學)和量子傳感等相關領域,運作時不需要大量的量子位元。有趣的是,量子運算可能會讓現行的加密方式變得不安全,量子密碼學卻可能成為一種管道,為我們帶來本質上安全的加密方式。

有辦法讓量子電腦更不容易受到干擾嗎?傳統的運算和通訊領域做法是導入錯誤修正碼來矯正雜訊,就像您在交談對象聽不清楚時,您會再說一次一樣。研究者花了許多精力研究,目的是要將錯誤修正碼的概念套用至修正量子領域的錯誤;目前可稱為經典的教科書 Michael Nielsen 和 Isaac Chuang 提供了這個主題的概略說明。然而,如果一個量子位元發生錯誤,必須使用數個量子位元才能修正這些錯誤。為了將量子電腦導入大規模作業,一場擴充量子電腦的科技競賽仍在上演。物理學家 John Preskill 將這個階段稱為雜訊中等規模量子(NISQ)年代,物理學家和工程師仍需要努力解決各種技術難題。

隨著量子運算逐漸用於實際應用,這個物理領域依然有著根本概念的新發現。 2012 年諾貝爾物理學獎得主 Serge Haroche 和 David Wineland 的傑出成就即是「測量並操控個別量子系統的劃時代實驗方法」。他們的成果對量子資訊和量子運算帶來深遠影響。

結語

您需要追蹤量子運算的發展情況,以及其他廣泛領域的量子科技嗎? 當然有必要。

不只是量子運算,量子科技本身正朝向現實應用發展。已經可以預想量子密碼學在商業用途佔有一席之地。美國、歐盟和中國政府都針對研究和量子科技進行策略性投資。產業相關計畫則包括 Pistoia Alliance 和 IBM的 2020 年量子高峰會(Quantum Summit); IBM 等機構在該活動中表達了他們的遠大願景,且 IBM 希望在 2023 年前打造出搭載 1,000 個量子位元的量子電腦。

科技商業記者 Kara Swisher 曾詢問 Google CEO Sundar Pichai ,為什麼 Google 在 2000 年代的初期錯失雲端服務的趨勢,讓 Amazon 獲得領先優勢(Google 之後投入大量資源縮小兩者之間的差距)。 Pichai 表示當時正忙於其他事務。 正因為如此,您絕對不想錯失重要的研究趨勢。請將這個頁面加入書籤獲得最新動態,在量子運算計畫方面搶得先機。

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