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量子电脑就要来了!?
瞬间计算 传统电脑将望尘莫及

【作者: 陳于風】2012年12月26日 星期三

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日前公布的2012年诺贝尔物理奖得主是来自美国与法国的量子物理学者Wineland及Haroche,他们两人的研究证明了不用加以破坏就能直接观察个别的量子粒子。也因为这个研究,使得瑞典皇家科学院表示:「传统电脑在20世纪彻底改变人类生活型态,说不定量子电脑也会让21世纪的人类生活改观。」近年来所谈论的量子电脑似乎将有机会成为功能更强大的超级电脑。


量子电脑一词最早在1969年由Stephen Wiesner提出「建造以量子力学原理为基础的运算设备」后,开始备受关注。量子电脑之所以会受到如此的重视,主要原因在于研究人员认为唯有「量子电脑」方能处理当今所面临到的复杂运算。所谓的复杂运算一般指的是如天气预测、气候研究、运算化学、分子模型、天体物理类比、汽车设计类比、密码分析等等。



图一 : 如果半导体好比乐器,量子计算机就像个交响乐团,一个40位的量子计算机,就能解开1024位计算机花上数十年解决的问题。(source: thefutureofthings.com)
图一 : 如果半导体好比乐器,量子计算机就像个交响乐团,一个40位的量子计算机,就能解开1024位计算机花上数十年解决的问题。(source: thefutureofthings.com)

事实上,这些复杂且大量运算的工作,目前主要都交由超级电脑来进行处理。超级电脑的运作主要在于把复杂的工作细分为可以同时处理的工作,并分配给不同的处理器来处理。因此,超级电脑的设计都集中在减少软体上的序列化,然后利用硬体在瓶颈处上做加速处理。


然而,随着所需处理的问题日益复杂化,超级电脑的浮点运算能力必须越来越快,也使得超级电脑的规模越来越庞大,同时能耗及散热也成为很大的问题。


截至2012年10月止,隶属于美国能源部的橡树岭国家实验室将原本在2009年所打造的「美洲虎(Jaguar)」,更换CPU并同时新增GPU,将之改装成为「泰坦(Titan )」后,该系统重新成为世界上最快的超级电脑。


原本Jaguar在2009年的运算能力是1.76 Peta FLOPS(每秒千兆(1015)次浮点运算),此次经过改造之后,运算能力大幅提升至16 Peta FLOPS,或是每秒1.6 京次的浮点运算。


然而这套Titan系统,仅主机部分,不含电力及冷却设备,就要占地121坪。相对地,量子电脑的强大运算能力除了可减少进行问题模拟所需的运算时间,同时也降低这种运算设备所需的空间,所以研究人员莫不急切希望看到量子电脑能够早日商业化。



图二 : 美国能源部Titan超级计算机占地121坪,量子计算机未来可大幅降低设备所需的空间(Source: olcf.ornl.gov)
图二 : 美国能源部Titan超级计算机占地121坪,量子计算机未来可大幅降低设备所需的空间(Source: olcf.ornl.gov)

以量子位元为单位 运算效率大幅提升

量子电脑为什么具有更强的计算能力呢?因为量子电脑在进行运算时是以量子位元(qubits)为单位,传统电脑则是以位元为单位。传统一个位元只能是0或1,也就是一个位元仅能代表两种状况。但是相对而言,一个量子位元则可以处于一种所谓的「叠加状态」,这是一种可以让0的一部份与1的一部份共存的状态。


简言之,我们可以把量子位元状态看成是球面上的一点,北极代表传统位元的1,南极则代表0,这时所有介于两者之间的点则代表0或1所有可能的叠加状态;换言之,可以使用单一量子位元代表许多种状况,因此只要量测到该颗量子位元的状态,就可以读取到其所储存的资讯,因此整个运算效率的提升非常惊人。


为了让大家更了解量子位元的运作,我们举一个简单的例子来说明。传统上,假设电脑要处理一个有颜色的点,最少需要三个位元分别对应RGB三原色,因此三个位元各有0或1的情况,因此共有23=8种情况产生,例如000代表白色(三种颜色都不存在),而111则代表黑色(三原色混在一起),或是100代表红色等等,依此类推。


因此,传统电脑在进行运算时必须依序判断这三个位元是在0或1的状况,之后组合起来,再根据事先定义的资料判定这个点是哪一种颜色。


但是如果使用量子位元来进行运算时,由于量子的角动量不仅有大小(取决于粒子转动的快慢),而且有方向(取决于粒子的旋转轴),所以利用这种多重组态且可以叠加起来的特性,便可使用这些量子态来代表所需要处理的资料。也因为量子运算与传统运算法则大相径庭,因此其大量瞬间计算的能力是传统电脑所望尘莫及的。


「费曼处理器」(The Feynman Processor:Quantum Entanglement and the Computing Revolution)这本书中提到:「根据科学家推测,量子电脑的作业效率,将等于现在你每天都在使用的『传统电脑』40亿台同时运作。」如用传统电脑做因数分解,以目前最快速的电脑而言,大概要花上数十亿年的时间,才能求出一个四百位的数字的所有质因数,而量子电脑可能只需要一小时甚至几分钟的时间。


1994年,贝尔实验室的专家Peter Shor证明量子电脑能做出对数运算,而且速度远胜传统电脑。他解释道,因为量子不像半导体只能记录0与1,而是可以同时表示多种状态,因此如果把半导体比成单一乐器,量子电脑就像交响乐团,一次运算可以处理多种不同状况。因此,一个40位元的量子电脑,就能解开1024位元电脑花上数十年解决的问题。



图三 : 目前学界及先进实验正致力于突破量子计算机商业化的难题(Source: insciences.org)
图三 : 目前学界及先进实验正致力于突破量子计算机商业化的难题(Source: insciences.org)

商业化关键 减少量子位元与环境的交互作用

然而,虽然量子电脑的运算能力看起来非常吸引人,但技术瓶颈在于量子容易受到外界影响,而破坏其量子态。


今年诺贝尔委员会解释这个问题时,说到:「由于个别的量子不容易从周遭环境中隔离出来,一旦与外界有互动时,就会失去原有的量子特性。而这两位物理奖得主所带领的研究团队,在实验室内设计出新方法,得以测量并掌控各种量子状态。在过去这些量子状态是被公认为无法直接观察到的,新的方法让实验团队可以检视掌控这些量子并计算其数量。」


因此,在设计量子电脑时,主要的重点在于如何减少量子位元与环境的交互作用,一旦错误率可以降低到每一万次计算约只会出现一次时,修正错误的步骤就可以用于补偿个别量子位元的衰落。


由于可以商业化运作的量子电脑必需含有大量的量子位元,而每个量子位元与环境的隔离必须好到让错误率降低到如前述的水准那般,因此建造这样的量子电脑是极其困难的工作,唯有在个别量子得以被观察并量测的情况下,这种电脑才可能诞生。由此可看出两位诺贝尔物理奖得主的研究成果,在未来将会带来非凡的影响。


量子电脑一旦成真 人类生活面貌将大幅改变

由于量子力学所具有的这些特性,除了运用在运算之外,量子在增大资讯容量、提高运算速度、确保资讯安全等方面,都将突破现有传统资讯系统的极限,量子资讯科学已成为研究资讯处理的一门新兴科学。


目前量子资讯科学包括量子计算(量子电脑)和量子资讯(量子通讯和量子密码)两大方面,近年来在理论和实验上都取得重大的突破。可以预见,一旦量子资讯实用化,将再一次改变我们今天的产业结构和生活方式。


另外,量子电脑的另一重要用途是模拟量子系统。虽然现在的电脑已被广泛用来解决各种复杂的量子力学问题,例如药物研发、飓风与海啸模拟、癌症研究、汽车设计,甚至包含研究银河系的组成等,但是如同Feynman所指出的,用传统电脑模拟真实的量子演化过程,是不切实际的。


因为目前用超级电脑来模拟量子系统所需的时间,将会随着系统的大小而呈指数增长。此外,传统电脑中的随机变数都是虚假的,而量子态是一种真正的随机分布,量子电脑内的运算过程本身就是量子态的一个变换过程,因此唯有量子电脑才能够瞬间模拟量子系统的演化。


虽然量子电脑的功能是如此强大,但迄今全世界尚无有实用价值的量子电脑被制造出来,一些科技发达的国家都已投入大量的经费,寻求实现这个梦想的方法。希望透过这次两位诺贝尔得主的研究成果,能够一举突破目前量子电脑在发展上的瓶颈,而真正应验了瑞典皇家科学院所预言的,21世纪将成为量子电脑的世纪。


IBM科学家有望推出首台量子电脑

事实上,在2006年8月时,IBM公司就已经宣布将研制首台世界最先进的量子电脑,他们计画利用五颗原子来发挥处理器与记忆系统的功能。然而,到了今年3月,IBM才宣布在量子运算领域获得重大突破。


他们表示已经创造出使用量子运算技术的工作元件,而下一步将是「创造出系统」。 IBM的科学家表示,他们已将量子运算的技术提升「一千倍」,原本预计50年后才会出现的量子电脑,可能再15年左右即可问世。


IBM之所以能有此突破,其关键在于如前述所提及的如何减少量子位元与环境的交互作用,并且降低错误率。


因此,他们将量子位元维持在量子状态的时间,延长到100个微秒,这已经是过去纪录的二至四倍;这也比2009年耶鲁物理系的Robert Schoelkopf等人所制造出2个做为量子位元(qubit)的人造原子,所实现维持1微秒的纪录有了长足的进展。 IBM的科学家能够达到100微秒这个「管控」资料错误最低门槛的时间量,也使得量子电脑的的发展朝向商业化迈进一大步。



图四 : 量子计算机的作业效率,将等于传统计算机40亿台同时运作
图四 : 量子计算机的作业效率,将等于传统计算机40亿台同时运作

IBM科学家下一目标是要创造一个可以开发量子运算能力的系统。 IBM科学家史泰芬说:「我们所做的量子运算工作研究将不再仅只是一项强力的物理学实验而已,该是根据这项研究来创造系统,进而将运算带入新领域的时候了!」


(陈宇风)


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