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量子電腦就要來了!?
瞬間計算 傳統電腦將望塵莫及

【作者: 陳于風】   2012年12月26日 星期三

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日前公布的2012年諾貝爾物理獎得主是來自美國與法國的量子物理學者Wineland及Haroche,他們兩人的研究證明了不用加以破壞就能直接觀察個別的量子粒子。也因為這個研究,使得瑞典皇家科學院表示:「傳統電腦在20世紀徹底改變人類生活型態,說不定量子電腦也會讓21世紀的人類生活改觀。」近年來所談論的量子電腦似乎將有機會成為功能更強大的超級電腦。


量子電腦一詞最早在1969年由Stephen Wiesner提出「建造以量子力學原理為基礎的運算設備」後,開始備受關注。量子電腦之所以會受到如此的重視,主要原因在於研究人員認為唯有「量子電腦」方能處理當今所面臨到的複雜運算。所謂的複雜運算一般指的是如天氣預測、氣候研究、運算化學、分子模型、天體物理類比、汽車設計類比、密碼分析等等。



圖一 :  如果半導體好比樂器,量子電腦就像個交響樂團,一個40位元的量子電腦,就能解開1024位元電腦花上數十年解決的問題。(source: thefutureofthings.com)
圖一 : 如果半導體好比樂器,量子電腦就像個交響樂團,一個40位元的量子電腦,就能解開1024位元電腦花上數十年解決的問題。(source: thefutureofthings.com)

事實上,這些複雜且大量運算的工作,目前主要都交由超級電腦來進行處理。超級電腦的運作主要在於把複雜的工作細分為可以同時處理的工作,並分配給不同的處理器來處理。因此,超級電腦的設計都集中在減少軟體上的序列化,然後利用硬體在瓶頸處上做加速處理。


然而,隨著所需處理的問題日益複雜化,超級電腦的浮點運算能力必須越來越快,也使得超級電腦的規模越來越龐大,同時能耗及散熱也成為很大的問題。


截至2012年10月止,隸屬於美國能源部的橡樹嶺國家實驗室將原本在2009年所打造的「美洲虎 (Jaguar)」,更換CPU並同時新增GPU,將之改裝成為「泰坦 (Titan)」後,該系統重新成為世界上最快的超級電腦。


原本Jaguar在2009年的運算能力是1.76 Peta FLOPS(每秒千兆(1015)次浮點運算),此次經過改造之後,運算能力大幅提昇至16 Peta FLOPS,或是每秒1.6 京次的浮點運算。


然而這套Titan系統,僅主機部分,不含電力及冷卻設備,就要佔地121坪。相對地,量子電腦的強大運算能力除了可減少進行問題模擬所需的運算時間,同時也降低這種運算設備所需的空間,所以研究人員莫不急切希望看到量子電腦能夠早日商業化。



圖二 :  美國能源部Titan超級電腦佔地121坪,量子電腦未來可大幅降低設備所需的空間(Source: olcf.ornl.gov)
圖二 : 美國能源部Titan超級電腦佔地121坪,量子電腦未來可大幅降低設備所需的空間(Source: olcf.ornl.gov)

以量子位元為單位 運算效率大幅提昇

量子電腦為什麼具有更強的計算能力呢?因為量子電腦在進行運算時是以量子位元(qubits)為單位,傳統電腦則是以位元為單位。傳統一個位元只能是0或1,也就是一個位元僅能代表兩種狀況。但是相對而言,一個量子位元則可以處於一種所謂的「疊加狀態」,這是一種可以讓0的一部份與1的一部份共存的狀態。


簡言之,我們可以把量子位元狀態看成是球面上的一點,北極代表傳統位元的1,南極則代表0,這時所有介於兩者之間的點則代表0或1所有可能的疊加狀態;換言之,可以使用單一量子位元代表許多種狀況,因此只要量測到該顆量子位元的狀態,就可以讀取到其所儲存的資訊,因此整個運算效率的提升非常驚人。


為了讓大家更瞭解量子位元的運作,我們舉一個簡單的例子來說明。傳統上,假設電腦要處理一個有顏色的點,最少需要三個位元分別對應RGB三原色,因此三個位元各有0或1的情況,因此共有23=8種情況產生,例如000代表白色(三種顏色都不存在),而111則代表黑色(三原色混在一起),或是100代表紅色等等,依此類推。


因此,傳統電腦在進行運算時必須依序判斷這三個位元是在0或1的狀況,之後組合起來,再根據事先定義的資料判定這個點是哪一種顏色。


但是如果使用量子位元來進行運算時,由於量子的角動量不僅有大小(取決於粒子轉動的快慢),而且有方向(取決於粒子的旋轉軸),所以利用這種多重組態且可以疊加起來的特性,便可使用這些量子態來代表所需要處理的資料。也因為量子運算與傳統運算法則大相逕庭,因此其大量瞬間計算的能力是傳統電腦所望塵莫及的。


「費曼處理器」(The Feynman Processor:Quantum Entanglement and the Computing Revolution)這本書中提到:「根據科學家推測,量子電腦的作業效率,將等於現在你每天都在使用的『傳統電腦』40億台同時運作。」如用傳統電腦做因數分解,以目前最快速的電腦而言,大概要花上數十億年的時間,才能求出一個四百位的數字的所有質因數,而量子電腦可能只需要一小時甚至幾分鐘的時間。


1994年,貝爾實驗室的專家Peter Shor證明量子電腦能做出對數運算,而且速度遠勝傳統電腦。他解釋道,因為量子不像半導體只能記錄0與1,而是可以同時表示多種狀態,因此如果把半導體比成單一樂器,量子電腦就像交響樂團,一次運算可以處理多種不同狀況。因此,一個40位元的量子電腦,就能解開1024位元電腦花上數十年解決的問題。



圖三 :  目前學界及先進實驗正致力於突破量子電腦商業化的難題(Source: insciences.org)
圖三 : 目前學界及先進實驗正致力於突破量子電腦商業化的難題(Source: insciences.org)

商業化關鍵 減少量子位元與環境的交互作用

然而,雖然量子電腦的運算能力看起來非常吸引人,但技術瓶頸在於量子容易受到外界影響,而破壞其量子態。


今年諾貝爾委員會解釋這個問題時,說到:「由於個別的量子不容易從周遭環境中隔離出來,一旦與外界有互動時,就會失去原有的量子特性。而這兩位物理獎得主所帶領的研究團隊,在實驗室內設計出新方法,得以測量並掌控各種量子狀態。在過去這些量子狀態是被公認為無法直接觀察到的,新的方法讓實驗團隊可以檢視掌控這些量子並計算其數量。」


因此,在設計量子電腦時,主要的重點在於如何減少量子位元與環境的交互作用,一旦錯誤率可以降低到每一萬次計算約只會出現一次時,修正錯誤的步驟就可以用於補償個別量子位元的衰落。


由於可以商業化運作的量子電腦必需含有大量的量子位元,而每個量子位元與環境的隔離必須好到讓錯誤率降低到如前述的水準那般,因此建造這樣的量子電腦是極其困難的工作,唯有在個別量子得以被觀察並量測的情況下,這種電腦才可能誕生。由此可看出兩位諾貝爾物理獎得主的研究成果,在未來將會帶來非凡的影響。


量子電腦一旦成真 人類生活面貌將大幅改變

由於量子力學所具有的這些特性,除了運用在運算之外,量子在增大資訊容量、提高運算速度、確保資訊安全等方面,都將突破現有傳統資訊系統的極限,量子資訊科學已成為研究資訊處理的一門新興科學。


目前量子資訊科學包括量子計算(量子電腦)和量子資訊(量子通訊和量子密碼)兩大方面,近年來在理論和實驗上都取得重大的突破。可以預見,一旦量子資訊實用化,將再一次改變我們今天的產業結構和生活方式。


另外,量子電腦的另一重要用途是模擬量子系統。雖然現在的電腦已被廣泛用來解決各種複雜的量子力學問題,例如藥物研發、颶風與海嘯模擬、癌症研究、汽車設計,甚至包含研究銀河系的組成等,但是如同Feynman所指出的,用傳統電腦模擬真實的量子演化過程,是不切實際的。


因為目前用超級電腦來模擬量子系統所需的時間,將會隨著系統的大小而呈指數增長。此外,傳統電腦中的隨機變數都是虛假的,而量子態是一種真正的隨機分布,量子電腦內的運算過程本身就是量子態的一個變換過程,因此唯有量子電腦才能夠瞬間模擬量子系統的演化。


雖然量子電腦的功能是如此強大,但迄今全世界尚無有實用價值的量子電腦被製造出來,一些科技發達的國家都已投入大量的經費,尋求實現這個夢想的方法。希望透過這次兩位諾貝爾得主的研究成果,能夠一舉突破目前量子電腦在發展上的瓶頸,而真正應驗了瑞典皇家科學院所預言的,21世紀將成為量子電腦的世紀。


IBM科學家有望推出首台量子電腦

事實上,在2006年8月時,IBM公司就已經宣布將研製首台世界最先進的量子電腦,他們計畫利用五顆原子來發揮處理器與記憶系統的功能。然而,到了今年3月,IBM才宣布在量子運算領域獲得重大突破。


他們表示已經創造出使用量子運算技術的工作元件,而下一步將是「創造出系統」。IBM的科學家表示,他們已將量子運算的技術提升「一千倍」,原本預計50年後才會出現的量子電腦,可能再15年左右即可問世。


IBM之所以能有此突破,其關鍵在於如前述所提及的如何減少量子位元與環境的交互作用,並且降低錯誤率。


因此,他們將量子位元維持在量子狀態的時間,延長到100個微秒,這已經是過去紀錄的二至四倍;這也比2009年耶魯物理系的Robert Schoelkopf等人所製造出2個做為量子位元(qubit)的人造原子,所實現維持1微秒的紀錄有了長足的進展。IBM的科學家能夠達到100微秒這個「管控」資料錯誤最低門檻的時間量,也使得量子電腦的的發展朝向商業化邁進一大步。



圖四 :  量子電腦的作業效率,將等於傳統電腦40億台同時運作
圖四 : 量子電腦的作業效率,將等於傳統電腦40億台同時運作

IBM科學家下一目標是要創造一個可以開發量子運算能力的系統。IBM科學家史泰芬說:「我們所做的量子運算工作研究將不再僅只是一項強力的物理學實驗而已,該是根據這項研究來創造系統,進而將運算帶入新領域的時候了!」


(陳于風)


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