正在萌芽的新世代運算系統 ─── 量子電腦
專題故事

被視為下個世代的運算工具,量子電腦(Quantum Computer)的高速運算速度可以幫助人類解決像是醫療、能源,這類傳統電腦運算需要花上百萬年時間才能解決的難題,研究人員能因此受惠加速開發出新的材料、程式等,甚至進一步影響AI學習能力,雖然離商業化仍有一段距離,卻是你我從現在就該開始關注的焦點。

1 下個世代運算工具,揭開量子電腦神秘面紗

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量子電腦被稱作「下個世代的運算工具」,比傳統電腦更加強大,各國政府、科技大廠紛紛投入研發,預計10年內就能從實驗室邁向商用,到底什麼是量子電腦?目前發展的現況?

2016年四月,當時上任不到一年的加拿大總理杜魯多(Justin Trudeau),在一個公開場合以35秒解釋什麼是量子電腦,影片在網路上被大量轉貼、討論;隔年三月《經濟學人》雜誌就以「量子躍遷(Quantum Leap)」為主題,介紹了量子技術的展望,讓量子電腦躍上大眾視野。

微軟執行長薩蒂亞·納德拉(Satya Nadella),也曾將人工智慧(AI)、混合實境(MR)、量子電腦,並列為重塑未來世界的三種開創性技術,Google、IBM、Intel、微軟,以及許多研究人員近來也都以打造可以商業使用的量子電腦為目標,雖然這項顛覆以往思維的運算技術仍只是在起點,但你我都應該從現在開始認識量子電腦,了解這項科技將在未來扮演關鍵角色。

加拿大總理杜魯多(Justin Trudeau)面對記者提問,解釋什麼是量子電腦,迎來現場群眾一陣掌聲。

運算速度更強大,拆解量子電腦背後原理

量子電腦的概念,來自1982年物理學家理察‧費曼(Richard Feynman)將量子體系用於運算的想法,不過在那個年代都僅止於理論推導,但卻也是翻轉現代電腦科學重要的關鍵點,簡單來說,量子電腦的運算速度可以超越現在生活中,你我使用的傳統電腦,以更快的速度解決生活中的各項難題。

一般電腦(包括桌機、筆電、平板、智慧型手機)都採用二進位制的計算單位「位元(bit)」,意思是0與1的二分法,一次只會出現0或是1單一種狀態,也就是「yes/no」形式;量子電腦則採用「量子位元(qubit)」,這種計算方式有「疊加(superposition)」特性,可以同時出現0與1,產生00、01、10、11的疊加狀態,也就是「yes/no/both」形式。

《華爾街日報》曾比喻,如果傳統位元是靜止的硬幣,一次只能出現正面或反面,量子位元就像旋轉中的硬幣,正反兩面都可以同時出現;或者也可以將傳統電腦想像成單一種樂器,量子電腦就像是眾多樂器組成的交響樂團,能夠一次同時演奏不同的段落。

量子電腦就像是眾多樂器組成的交響樂團,能夠一次同時演奏不同的段落。
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量子電腦之所以被稱為「下個世代的運算工具」,是因為可以在多管齊下、同步測試各種可能找出答案,透過量子電腦,可以幫助人類在短時間內完成一般電腦需要花上數十年才能解決的問題。

之所以能擁有這麼快的運算速度,靠的是量子疊加(superposition)、量子纏結(entanglement)這兩大量子特性。

量子疊加指的是每單位可以0或1、0與1相互疊加,形成00、01、10、11四種組合;量子纏結則是指量子位元可以分組聚合、一次同步計算各種可能性,也因為如此,運算能力才能大幅提升。

目前面臨的技術困境?

穩定性不足

量子電腦這項科技已經真實存在,但要能實際在商業上應用,仍有許多困難需要克服,目前量子電腦的穩定性不夠,容易受到熱能、電磁輻射等外在環境干擾,必須將處理器存放在絕對零度(零下273攝氏溫度)的環境中,才能讓人類與量子電腦一起工作,目前為止因為打造這樣的環境條件仍需要相當困難的技術,也導致量子電腦發展速度受到限制。

錯誤率有待降低

此外,要達到商業化的目標,處理器要達到50量子位元(qubit)、雙量子位錯誤率低於0.5%的標準,才能符合「量子霸權」(quantum supremacy)定義,Google在今年三月推出72量子位元處理器「Bristlecone」,雖然已達到標準,但目前錯誤率的穩定仍是一大關鍵。

為了避免熱能、電磁輻射等外在環境干擾,必須將處理器存放在絕對零度(零下273攝氏溫度)的環境中。
Intel

開發量子軟體

最後,量子電腦要能真正發揮作用,同步開發量子軟體也很關鍵,高度的運算複雜度,使得開發人員必須具備一定程度的物理、數學、軟體工程知識,但由於初期研發出的量子電腦硬體規格不一致,所以軟體大多必須客製化。

量子電腦預計在10年內就能從實驗室邁向商用,為人類生活帶來天翻地覆衝擊,在未來世界中,誰能掌握量子電腦技術,就擁有優勢制霸權,也因此各家科技大廠、各國政府無不積極迎戰,就像前微軟首席研發策略長克瑞格·蒙迪(Craig Mundie)說的:「這是70年來,我們第一次建構一個完全不同的運算系統,這並非升級或改進,而是一個完全不同性質的新事物。」

2 驅動AI、醫療、通訊新變革,量子電腦將顛覆世界

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具有高速運算優勢的量子電腦,未來若普及化,將對人工智慧(AI)、生技醫療、區塊鏈、通訊領域帶來衝擊與改變。

量子電腦的厲害之處,在於可以在很短的時間內,解決本來需要耗費數十年,甚至好幾個世代才能解決的問題,雖然目前仍面臨許多障礙與困難,但在可預期的未來中,這項新科技將可以用哪些型式顛覆未來世界呢?

人工智慧

量子電腦擁有極快的運算能力,將能大大顛覆人工智慧(AI)發展以及應用場景,利用可以快速處理大量資訊的特性,能夠解決傳統電腦所不能解決的問題。

未來量子晶片將能讓人工智慧邁向行動化,不論是無人機、手機、無人車,都能藉由量子運算系統,即時因應狀況處理資料,若量子電腦能克服只能在低溫環境運作的特性,將能提升資料傳輸效率,甚至透過量子系統加速機器學習速度。

量子電腦高速的運算特性,可以大幅縮短藥品研發流程。
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生技醫療

新藥研發是一條漫長且所費不貲的過程,必須通過臨床實驗、主管單位核准等繁複過程,往往需耗費十年之久才能正式上市。

一款藥品是各種化學成分之間的組合交錯,化學家必須嘗試、評估各種組合,才能知道哪種配方可以對疾病有功效,這需要大量的時間、精力不斷嘗試,量子電腦高速的運算特性,可以大幅縮短藥品研發流程,可以協助人類快速檢查藥品配方、計算出最適合的成分。

不僅能提升效率,更能減少人為失誤,能在最短的時間針對疾病,設計出最有療效的藥品,將可大幅縮減藥品的研發成本與加快上市時間。

加密貨幣市場受威脅

區塊鏈最為人所知的應用之一「加密貨幣」在近年掀起熱潮,許多人會透過「挖礦」的方式來獲得虛擬貨幣,那麼擁有高速運算能力的量子電腦,如果加入挖礦的行列,有沒有可能憑著運算優勢為所欲為讓比特幣市場瓦解呢?

對此,新加坡國立大學資工系教授 Divesh Aggarwal 博士曾進行研究,將未來十年量子電腦運算能力的預測,與目前傳統電腦硬體的運算能力做比較,結果顯示現有的硬體在十年內仍能在速度上占有優勢,量子電腦瓦解挖礦的狀況應該還不至於太快發生。

在量子電腦的幫助下,100量子位元的量子電腦只需要三個小時就能破解虛擬貨幣的私鑰。
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但加密貨幣本身的安全性恐怕也將成問題,目前比特幣透過私鑰以及公開的公鑰進行加密,交易時可以在不公開私鑰的情況下,透過數位簽章驗證持幣者是否持有私鑰,這種技術稱為「橢圓曲線數位簽章演算法(Elliptic Curve Digital Signature Algorithm)」,而量子電腦有能力解開大部分加密技術。

工研院產經中心經理林澤民就以虛擬貨幣的公鑰與私鑰舉例,傳統電腦要解開私鑰約需耗費1,092億年,但在量子電腦的幫助下,100量子位元的量子電腦只需要三個小時就能破解,對資安甚至國安都是一大威脅 。

隨著量子電腦技術的演進,將會對現在的加密技術安全性產生威脅,Aggarwal 博士更斷言,現行的橢圓曲線數位簽章演算法將可能在2027 年被量子電腦徹底破解,因此目前美國、日本為了因應量子電腦時代,都開始投入新密碼架構的研發。

量子通訊

「量子力學傳送」在十多年前仍只是理論階段,量子傳送必須以「量子糾纏」為基礎,意思是幾個粒子彼此作用後,每個粒子所有的特性都會綜合成為整體性質,無法單獨描述各別粒子的性質,只能描述整體系統的性質,物理學家愛因斯坦(Albert Einstein)曾稱量子糾纏是「鬼魅般的超距作用」。

如何長距離傳輸纏結光子,一直是量子加密通訊一大難題,中國在2016 年 8 月發射量子衛星「墨子號」,任務之一就是從衛星向地面發射糾纏量子,由於量子通訊的安全性是基於量子物理的基本原理,而非一般的加密技術,因此若能有所進展,將能從根本解決資訊安全問題,避免駭客攻擊和竊聽。

物理學家愛因斯坦(Albert Einstein)曾稱量子糾纏是「鬼魅般的超距作用」。
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2017年中國研究人員表示,「墨子號」順利從太空傳送了「無法破解的」高速量子密鑰,被稱為「中國量子之父」的物理學家潘建偉表示,量子密鑰分發是目前人類唯一已知不可竊聽、不可破譯的安全通訊方式。

量子密鑰分發就像是一個人要把寶物交付給另一個人,需要同時將放置寶物的箱子以及鑰匙一起交出,而鑰匙正是唯一可以開啟箱子的工具,一旦鑰匙被動過手腳,寶物持有者就會發現並將原本的鑰匙作廢,並換一把新鑰匙,確保收到寶物的人是對的。量子加密通訊採用「一次一密」機制,一旦量子密鑰被駭客攔截,自身狀態便會改變,攔截者將無法取得資訊,而「墨子號」的實驗,將為全球量子通訊奠定基礎。

3 搶奪「量子霸權」,科技巨頭把量子電腦帶出實驗室

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未來十年,量子電腦將會對許多產業產生重大影響,為了達成「量子霸權」的目標,科技巨頭紛紛砸重本投入研發,將量子電腦帶出實驗室,走入商用階段。

量子體系用於運算的想法,早在上個世紀1980年代,就由物理學家理察‧費曼(Richard Feynman)提出,然而量子電腦一直被視為如白日夢一般遙不可及的未來,近幾年IBM、Google、微軟(Microsoft)、Intel等科技巨頭,紛紛投入量子電腦領域後,才讓量子電腦有從實驗室慢慢走向一般商用領域的跡象。

摩根士丹利曾在2016年表示,未來十年,量子電腦將會對許多產業產生重大影響,更預估高端的量子電腦運算市場,2025年會達到100億美元的價值,各家大廠磨刀霍霍投入大量資源做研發,為的就是達到「量子霸權(quantum supremacy)」的目標。

「量子霸權」是2012年,由加州理工學院物理學家焦恩·普瑞斯基爾(John Preskill)所提出的概念,意思是當量子電腦發展到50量子位元(qubit)時,運算能力將會超越世界上所有電腦,具有解決傳統電腦所解決不了問題的能力。

而目前究竟有哪些公司正著墨在這個領域呢?

微軟

2005年,微軟當時就由數學家 麥可·弗里德曼(Michael Freedman)領軍,成立研究拓撲量子運算的「Station Q」實驗室,微軟執行長薩蒂亞·納德拉(Satya Nadella)認為,量子電腦的高速運算速度可以幫助人類解決像是醫療、能源,這類傳統電腦運算需要花上百萬年時間才能解決的難題,研究人員能因此受惠加速開發出新的材料、程式等。

去年九月也公布兩款量子模擬器,一款可以實際在一個場域中運作,另一款能夠在微軟Azure雲端平台上運作,微軟負責量子軟體開發的資深研究員Krysta Svore談到:「量子模擬器能讓開發人員在實體機器尚未問世的情況下進行開發工作;量子電腦能夠自動進行建模,如果是透過傳統電腦,我們並不能真正了解這些流程。」

藉由程式語言Q#,協助開發者開發量子電腦的軟體,加快量子運算走向商業化。
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去年12月,宣布推出一款程式語言「Q#」,可以協助開發者為量子電腦開發軟體,喊出要在五年內讓量子電腦進入商業市場的目標;今年(2018)三月,微軟研究員透過由半導體材料和超導材料製作的奈米線材,發現馬約拉納費米子(Majorana fermion)存在的證據,它是一種穩定量子訊息編碼方式,微軟希望在今年可以將費米子轉化為量子,並在五年內提供商業使用,意味著微軟在量子電腦的努力上又邁進了一步。

IBM

IBM同樣在量子運算領域深耕多年,1998年就開發出第一個量子位元,2016年就開發出具有 5 量子位元(qubit)的量子電腦,一年多後,IBM就宣布研發出全世界第一台50量子位元(qubit)的量子電腦,並在2018年的消費電子展(CES)上正式亮相。

在公開展示50量子位元電腦內部結構時,IBM研究主席Jeffery Welse表示,目前所遇到最大的挑戰是溫度,因為量子位元可能因為噪音等干擾導致數據流失,為了將干擾降到最低,必須將處理器放置在比太空還冷上250倍的低溫環境中。

當量子電腦發展到50量子位元(qubit)時,運算能力將會超越世界上所有電腦,就稱為「量子霸權(quantum supremacy)」。
IBM

Jeffery Welse談到,IBM有信心在來十年內打造出一台具備50到100位元的量子電腦,「只需要幾分鐘的時間,就能得到傳統電腦花費五天運算才能得到的結果。」雖然目前IBM量子電腦的應用大多仍處於科學研究階段,但50量子位元(qubit)的出現,也激起不少人對於量子運算的期待與想像。

Google

Google應該可以說是目前在這塊領域跑得最快的公司了,今年三月Google量子 AI 實驗室(Google Quantum AI lab)公布了具備72量子位元(qubit)的處理器「Bristlecone」將IBM先前推出50位元的處理器遠遠拋在腦後。

在處理器「Bristlecone」之前,Google的量子電腦產品只有9位元(qubit),而依據「量子霸權」達到50量子位元(qubit)的定義,理論上這款處理器已經比量子霸權的定義更大,但錯誤率的穩定仍是一大關鍵,先前Google的9量子位元處理器有達到錯誤率0.6%的成績,而這次官方並沒有公布Bristlecone的錯誤率,但仍在聲明中強調若錯誤率可以下降,將可以超越目前的超級電腦,處理龐雜的運算問題,指出雖然目前沒有人能真正達到量子霸權目標,但仍對目前發展相當樂觀。

Google 量子 AI 實驗室(Google Quantum AI lab)公布了具備72量子位元的處理器Bristlecone。
Google

量子電腦要能真正商業化,必須達到100萬量子位元以上才合格,以現階段72量子位元以及錯誤率無法降低的狀況來看,量子電腦還有許多困難等待突破。

Intel

今年消費電子展(CES)上,Intel 執行長布萊恩‧科再奇(Brian Krzanich)展示了代號為「Tangle Lake」的49量子位元(qubit)的超導測試晶片。

跟先前推出17量子位元(qubit)的規格相比,已經取得相當大的進展,Intel 副總 Michael Mayberry談到,商業化是每間公司的最終目標,但至少還要5到7年才能從技術進入到商品化階段。

D-Wave

D-Wave 系統公司,是一家來自加拿大,創立於1999年的量子電腦公司,在2011年時推出第一台商用量子電腦,但當時能解決的問題及性能相當受限。

量子電腦擁有強大的運算速度,靠的是量子疊加(superposition)、量子纏結(entanglement)兩大量子特性,但D-Wave推出的電腦並沒有發生量子纏結,於是使用了一種叫「量子退火(quantum annealing)」的技術,讓每個量子位元和附近的量子位元相互糾纏。

D-Wave 是目前唯一有正式出貨量子電腦的公司,而Google一開始開發量子電腦時,也是使用D-Wave的量子電腦做研究。

D-Wave 是目前唯一有正式出貨量子電腦的公司。
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Rigetti

成立於2014年的Rigetti,是一家量子電腦新創,目標是「打造世界上最強大的電腦」,目前已經獲得超過 6,900 萬美元的融資,專門生產開發量子電腦的軟體。

2016年六月,Rigetti推出8量子位元(qubit)的晶片,以及一個叫「Forest」的雲端服務,讓開發者可以在上面寫代碼,模擬量子電腦運作的情況。

阿里巴巴

從2015年開始,阿里巴巴就開始關注量子運算領域,宣布聯合中科院成立亞洲首個量子計算實驗室。

匈牙利裔美國計算機科學家馬里奧‧塞格德(Mario Szegedy)、密西根大學終身教授施堯耘都是阿里雲量子實驗室(AQL)的成員,今年(2018)五月,團隊宣布成功研發名為「太章」的量子電路模擬器,這款軟體模擬器將有助於加快量子電腦研發。

量子電腦發展重要時程

年份 事件
2011年 加拿大公司D-Wave,推出第一台商用量子電腦。
2016年 IBM開發出具有 5 量子位元(qubit)的量子電腦。
2017年 IBM宣布研發出全世界第一台50量子位元(qubit)的量子電腦。
2018年 Google公布具備72量子位元(qubit)的處理器「Bristlecone」。
延伸閱讀

4 全面取代傳統電腦,人類該害怕量子電腦嗎?

IBM
除了人工智慧(AI),具有高速運算優勢的量子電腦(quantum computer)也是未來值得關注的明日之星,IBM、Intel、Google、微軟等科技大廠紛紛投入研發資源,爭奪量子霸權。不過看似方便的新科技,卻也有潛在危險性。

「俄羅斯、中國,以及所有電腦科學的強國,很快都會加入國家層級的AI競賽,這很可能會引發第三次世界大戰。」特斯拉創辦人伊隆.馬斯克(Elon Musk),曾經這麼提醒世人人工智慧(AI)潛在的危險性。

AI無疑是重要的科技趨勢,當全球都在設想AI將對社會帶來的衝擊時,可以快速分析、整合龐大數據,進一步影響AI學習能力的量子電腦(quantum computer),雖然離商業化仍有一段距離,卻是你我從現在就該開始關注的焦點。

量子電腦並非科幻小說的情節,跟一般電腦相比,量子電腦擁有極快的運算速度,傳統電腦用簡單的0與1位元(bit)來儲存資訊,而量子電腦可以將0或1、0與1相互疊加,處理更多、更複雜的資訊。

一台量子電腦,可以在短時間內完成一般電腦需要花上數十年才能解決的問題。
IBM

簡單來說,可以把傳統電腦想像成單一種樂器,量子電腦就像是眾多樂器組成的交響樂團,能夠一次同時演奏不同的段落,也就是說一台量子電腦,可以在短時間內完成一般電腦需要花上數十年才能解決的問題,因此被稱為「下個世代運算工具」。

高速運算優勢,卻也可能引發國安危機

量子電腦的高速運算優勢,可以讓大量數據在極短時間運算完成,可以對未來社會、生活帶來許多好處。

例如,量子電腦可以打造精準的氣候模型,幫助人類立即分析所有氣象資料,細部分析氣候影響區域與時間,讓天氣預報更精準;量子電腦還能幫汽車規劃最佳行徑路線、避開塞車路段,商業化應用後將能協助物流業做更加完整的物流運送規劃;就研發而言,藥廠可以讓量子電腦分析各種成分的交互作用、嘗試各種成分組合,除了能讓新藥研發過程加速,更能大幅縮短新藥上市時間以及降低研發成本。

不過,看似方便的新科技,也可能如同打開潘朵拉的盒子一樣危險,工研院產經中心經理林澤民就以虛擬貨幣的公鑰與私鑰舉例, 傳統電腦要解開私鑰約需耗費1,092億年,但在量子電腦的幫助下,100量子位元的量子電腦只需要三個小時就能破解,對資安甚至國安都是一大威脅 。因此目前美國、日本為了因應量子電腦時代,都開始投入新密碼架構的研發。

但就目前所知,還沒有任何國家政府為量子電腦未來做好準備,例如將電腦升級、使用RSA加密演算法等。不過各家科技大廠早已投入資源搶先布局。

科技廠投入研發,爭奪「量子霸權」

近幾年IBM、Google、微軟(Microsoft)、Intel等各家科技大廠都紛紛投入量子電腦大戰。Intel、IBM都在今年的國際消費電子展CES上,展示最新的量子電腦晶片,而微軟更是從12年前開始投入量子運算研究,在去年12月推出一款協助開發者開發量子電腦的軟體的程式語言「Q#」,微軟量子電腦團隊負責人霍姆達爾(Todd Holmdahl)表示,量子電腦預計五年內進入商業市場,若達成此目標將會是科學的一大進展。

當量子電腦發展到50量子位元(qubit)時,運算能力將會超越世界上所有電腦,就稱為「量子霸權(quantum supremacy)」。
Intel

各家大廠磨刀霍霍投入大量資源做研發,為的就是達到「量子霸權(quantum supremacy)」的目標。

「量子霸權」是2012年,由加州理工學院物理學家焦恩·普瑞斯基爾(John Preskil)所提出的概念,意思是當量子電腦發展到50量子位元(qubit)時,運算能力將會超越世界上所有電腦,具有解決傳統電腦所解決不了問題的能力。

IBM

去年11月,IBM宣布研發出全世界第一台50量子位元(qubit)的量子電腦,在CES 2018中正式亮相。

1998年IBM就開發出第一個量子位元,在公開展示50量子位元電腦內部結構時,IBM研究主席Jeffery Welse表示,目前所遇到最大的挑戰是溫度,因為量子位元可能因為噪音等干擾導致數據流失,為了將干擾降到最低,必須將處理器放置在比太空還冷上250倍的低溫環境中。

Jeffery Welser談到,IBM有信心在來十年內打造出一台具備50到100位元的量子電腦,「只需要幾分鐘的時間,就能得到傳統電腦花費五天運算才能得到的結果。」雖然目前IBM量子電腦的應用大多仍處於科學研究階段,但50量子位元(qubit)的出現,也激起不少人對於量子運算的期待與想像。

Intel

Intel同樣在CES 2018上展示了49量子位元(qubit)的測試晶片,Intel實驗室負責人Michael Mayberry博士談到,將量子電腦商業化是各家公司的最終目標,不過他預估仍需要5到7年的時間才能實現。

Intel 展示從7、17到49 量子位元(qubit)的晶片。
Intel

因為量子電腦要能夠商業化,必須要達到100萬量子位元以上才合格,以目前49量子位元的成果來看,在工程規模化上還有很長一段路要走。

Google

Google在去年年底訂出時間表,目標在近期將公開展示49量子位元(qubit)的量子電腦產品,讓大家一窺量子電腦解決難題的過程,朝「量子霸權」目標邁進。

雖然各家大廠努力投入研發,但目前所有人都面臨「量子位元」、「溫度」兩大影響商業化的難題。如同IBM研究主席Jeffery Welse所說,量子位元十分脆弱,必須在約零下273度的環境運作,而要打造這樣的環境目前技術上相當困難;而目前49、50量子位元遠遠不及商業化100萬量子位元的標準,因此預估還要5到7年才能夠實現此目標。

資料來源:VentureBeatWshingtonPostFT

延伸閱讀
量子電腦
Quantum Computer
量子電腦,是一種使用量子邏輯進行通用計算的裝置。不同於電子電腦(或稱傳統電腦),量子計算用來存儲資料的對象是量子位元,它使用量子演算法來進行資料操作。 (來源: 維基百科 )

5 量子電腦春暖花開

Rigetti Computing的8量子位元處理器(官方照片)
台灣是不是應該在前瞻計畫之類的大拜拜裡納入量子技術項目?看到這篇文章的朋友們,就留給你們評論了,我自己還得忙著追歐盟量子宣言(Quantum Manifesto)中宣布要投入的十億歐元研發經費將流向哪些實驗室,因為對於風險資本家來說,沒有比這更好的槓桿了!

我大學前後一兩屆的同學和學長弟們,大多在千禧年前後進入職場或者赴美深造。其中就職組裡面以進入新竹科學園區做晶片設計最為普遍,當時正值台灣晶片設計公司高峰,先行者的威盛和瑞昱都是股市寵兒,本來低調賺錢的聯發科也在千禧年後選擇掛牌上市,連年整批吸收台清交畢業生。

相較於台灣就職市場隨著股市跑,赴美深造組就多元多了。有人走上了光纖材料的研究路線,有人鑽入了與光場相關的影像編碼技術,有人離開了電機的領域改攻金融工程,甚至有一位轉型成為了裝置藝術家。但這裡面對我來說最有趣的,是一位同學一頭栽入了量子電腦相關研究。

小時候夢想成為科學家的我,很早就囫圇吞棗地啃了很多艱澀的理論。撇開一些太過抽象和冷門的數學理論不說,大部分的科學理論我都或多或少能夠理解到一點皮毛,唯獨量子力學,當年英文程度還不夠的我抱著中文書籍怎樣都摸不著邊。

到了大學因為走上電機電子工程這條路,和量子力學連結就只剩下在半導體理論初章時,教授耳提面命地說如果沒有量子力學,就沒有半導體——但說真的現場有聽懂的同學,可能一雙手就算得出來。

但量子力學始終在我心中佔著一定地位,一方面是因為類似於「征服百岳」的那種不服輸的感覺,另一方面由於自己對哲學的興趣,讓我對於明顯與先蘇哲學或是後尼采哲學相通的海森堡測不準原理之類的量子理論,更多了一層成年後的憧憬。

所以當年聽到竟然有同學在美國研究量子電腦後,還在園區設計著電路的我不由自主地抽空出來看了一些相關的研究報告,但不管是哪份報告,看起來離實用都還遠得很,所以我也就沒擱在心上。

量子電腦成為科技巨頭和矽谷創投狠砸資本的領域

沒想到不到十年,量子電腦已經成為科技巨頭和矽谷創投狠砸資本的領域,2017年開春以來幾乎每一兩個禮拜就會有一則量子電腦的新聞,讓人有一種科幻片正在發生的感覺。

但事實上量子電腦突然爆紅是很合邏輯的,關鍵字就是我們的老朋友機器學習。

不同於傳統電腦使用0與1的二進位系統,量子電腦在原理上所使用的量子位元(qubit),可以同時以不同的或然率存在於兩個狀態。換個角度講:傳統電腦其實應該視為量子電腦的一個特例,在這個特例中一個位元只能夠是兩個可能狀態的任一,相對地,量子位元則可以是兩個可能狀態的任何疊加(superposition)。

這個特質,加上不同量子彼此之間可以跨越距離進行纏結(entanglement),讓量子電腦理論上可以用很少的能量就完成大量的平行運算。

這裡面又以矩陣乘法(matrix multiplication)這樣的平行運算應用讓我們特別感興趣,這是因為神經網絡中最吃重的運算就是矩陣乘法。

以二進位電腦的結構來說,隨著輸入維度的增加,矩陣乘法的硬體需求將以指數成長,雖然有很多方式可以進行簡化,但所有簡化技巧都只是治標不治本,如果人工智慧最終的目標是理解世界上人類在乎的所有事情,那麼顯然使用二進位電腦進行的機器學習一定會遇到運算需求指數成長的瓶頸。但如果採用量子電腦就不同了,透過疊加和纏繞,量子電腦對於輸入維度的增加理論上只有線性增長的需求,耗能的增長也會回到線性的路徑,其未來比傳統電腦有遠遠更多的想像空間。

關在學術象牙塔的量子電腦成為熱門話題

因此隨著機器學習的大鳴大放,突然間一直被關在學術象牙塔裡的量子電腦也成為了熱門話題。

帳面上看起來跑在最前頭的似乎是又是谷歌大神。根據它們最近釋出的官方聲明,這家包山包海的科技龍頭的20量子位元機型已經進入測試,另外他們也預定在年底前推出49量子位元(7x7矩陣)的機型——在谷歌的理論模型中,49量子位元將是量子電腦首次在各方面超越傳統電腦的「量子優越性」(quantum supremacy)時刻,如果谷歌真能如預期在達陣,2017年將成為計算機歷史上相當重要的一年。

人工智慧領域的老大哥IBM也沒閒著,他們在日前宣佈在雲端開放其16量子位元的計算機給大眾測試使用。要注意的是,IBM的16量子位元計算機和谷歌正在測試的20量子位元計算機,誰高誰弱,其實這個階段很難評論,因為量子電腦本身理論就是建立在或然率上,因此量子位元的數目本身並無法代表計算能力,還得考慮到錯誤率和其他因素,所以很會公關宣傳的谷歌和累積了幾十年整合系統研發和量產能力的IBM,到底誰在量子電腦上佔有優勢,可能還要再幾年才能分曉。

另外除了科技巨頭以外,新創當然也沒閒著。最有名的量子電腦新創當數D-WaveRigetti Computing

其中成立在1999年的D-Wave算是很老的新創了,也是唯一一間有在正式出貨量子電腦的。但這家老店一直都被歐美學界質疑,認為其量子電腦並未真正應用到纏繞,直到2011年他們在自然期刊(Nature)上刊出一篇論文,才稍稍堵住批評者的嘴巴。有趣的是谷歌最早開發量子電腦時,也是先採購D-Wave的商用量子電腦來做研究。

位於柏克萊的Rigetti Computing則是新近的當紅炸子雞,其走紅的原因倒不在於有多少人真正理解他們的技術和區別性,而在於他們那華麗的投資人陣容:安德遜・霍洛維茨、YC的成長基金Continuity Fund、楊致遠的AME Cloud Ventures、Sutter Hill Ventures以及Lux Capital⋯⋯等。而隨著Rigetti明星陣容的投資人出列,作為老牌對手的D-Wave也趁勢從富達投資和高盛這樣頂級的金融機構手上募得成長基金。

講了半天,量子電腦到底長成什麼樣呢?如果讀者自己在網路上搜尋的話,大概都會找到類似下面兩張的照片:

Rigetti Computing的8量子位元處理器(官方照片)
Rigetti Computing的量子電腦(官方照片)

第一次看到這兩張照片的讀者可能會低頭看看自己手上的智慧型手機,和眼前的筆記型電腦,然後懷疑編輯是不是貼錯照片了。

目前的量子電腦技術多半利用超導體的量子特性

事實上,目前的量子電腦技術多半利用超導體的量子特性,因此除了處理器和光纖連結主體本身以外,還需要完整的冷卻系統來把材料降溫到出現超導體的量子特性為止。

以D-Wave那篇2011年的自然期刊論文為例,他們進行實驗的三個溫度分別為:絕對溫度22毫度、50毫度和90毫度,不僅根本就是在絕對零度邊緣徘徊,彼此差距也只有幾十毫度。換句話說,量子電腦的冷卻系統不只要夠冷,還要夠準——光華商場賣給電競玩家的超高級散熱風扇肯定是不夠的。

這兩張照片對台灣的電腦產業可能也會產生巨大的衝擊:它們怎麼看都像是手工的精密機械,而不像在深圳的工廠所能大量生產的。

如果量子電腦開始取代傳統電腦,台灣的供應鏈會出現什麼樣的地殼變動,大概不是每天追著代工廠供應鍊跑的證券分析師可以想像的。

各國公家投入的研究經費非常高

最後,量子領域一個有趣的現象,是各國公家投入的研究經費非常高,而且並不只限於美國!

麥肯錫統計的2015年量子相關科技研發經費
經濟學人

上圖是經濟學人根據麥肯錫的調查數據所整理出來的,可以看到2015年一整年,美國、歐洲和中國各投入了360M€、550M€和220M€的研發經費在各種量子領域中,而全球研發總支出更高達1.5B€!

燒了這麼多錢,多數死老百姓卻連量子電腦都沒聽過,如果放在台灣肯定會被網軍追殺吧⋯⋯

另外在專利申請上也有相當有趣的分布:

2015年量子技術相關的專利申請趨勢
經濟學人

從上圖可以看到,整個歷史累積下來,美國和中國在量子技術的專利申請上毫無意外地位居前兩名,其中中國在量子加密技術(Quantum cryptography)上更是大幅超越美國高居第一。但更有趣的是,美國的專利申請在2005年前後到達了高峰,隨後幅度就大幅縮小,反而是中國的專利申請數量從2010年起飛,然後持續放大中。這也造成一些美國專家憂心中國量子技術超越美國,就像有些專家憂心阿里巴巴橫掃美國一樣。

那麼台灣呢?

那麼台灣呢?也許你會問。

其實在上圖中我們可以看到在量子感測器(Quantum sensor)的領域,台灣申請了兩個專利,並沒有在三個領域都掛蛋。考慮到量子感測器公認是幾個量子技術領域中能夠最早實用化的,我們應該要有點慶幸。

但台灣是不是應該在前瞻計畫之類的大拜拜裡納入量子技術項目?看到這篇文章的朋友們,就留給你們評論了,我自己還得忙著追歐盟量子宣言(Quantum Manifesto)中宣布要投入的十億歐元研發經費將流向哪些實驗室,因為對於風險資本家來說,沒有比這更好的槓桿了!

本文由楊建銘授權轉載自其風傳媒專欄。

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楊建銘(Jerry Yang)

台灣大學電機系所畢業,職業生涯前十二年在台灣、矽谷和歐洲從事半導體類比與射頻晶片研發,包含四年新創經驗並順利完成退出。2012年離開矽谷移居巴黎,邊工作邊在法國名校HEC Paris取得MBA學位,期間並順利通過全部三級的CFA考試。2015年初加入Hardware Club成為第三位合夥人,除了投資業務以外也負責亞洲所有業務。