解密量子電腦
專題故事

電影《蟻人與黃蜂女》中,有一段對於量子技術的敘述: 「忘記奈米技術、人工智慧、密碼貨幣,它們在量子技術面前都不值得一提。」 不只是電影中的場景, 現實世界中,Google、Intel、IBM、微軟等科技巨頭相繼投入大量資源, 試圖搶占量子電腦的話語權。 因為這些小小的光子、原子所撼動的, 正是所有人類息息相關的未來。

一窺漫威量子領域的現實面目

1 Google、Intel、IBM與微軟搶著研發,量子電腦的魅力究竟在哪?

IBM
電影《蟻人與黃蜂女》中有一段對於量子技術的敘述:「忘記奈米技術、人工智慧、密碼貨幣,他們在量子技術面都不值一提。」不只是電影中的場景,現實世界中,Google、Intel、IBM、微軟等科技巨頭都投入大量資源,試圖搶占量子電腦的話語權。因為這些小小的光子、原子所撼動的,是所有人類息息相關的未來。

「量子電腦座落在2.3公尺高的玻璃框架內,看起來就像是一件藝術品。」媒體讚嘆著。2019年CES展中,IBM展示了全球第一台商用量子電腦IBM Q System One,讓外界對於IBM量子電腦的真實樣貌與美麗外型留下深刻印象。

IBM還預計在美國紐約開設「量子運算中心」,成為世界上少數幾個擁有營運量子運算技術能力、基礎設施和專業知識的地方。

第一章‧濫觴——摩爾定律的瓶頸

在量子電腦真正大量進入我們的生活前,倒是先進入了電影與小說場域。以《達文西密碼》聞名全球的推理小說家丹布朗(Dan Brown)2017年作品《起源》,就提到科技怪客艾德蒙以量子電腦運算出生命起源;2018年漫威電影《蟻人與黃蜂女》與今年的《復仇者聯盟4》也都以量子領域為重要的故事元素。
  
不過,以量子特性打造出的電腦,並非僅能出現在科幻電影之中,事實上量子晶片雛形已經出現在地球上了,領航者包括IBM、Google與Intel等科技巨擘,也有D-wave等新創公司。
  
量子電腦也是歐美政府相當重視的技術。2016年,歐盟發表了量子宣言(Quantum Manifesto),啟動量子技術旗艦計畫;創業風氣盛行的美國矽谷,量子電腦就是當紅的投資題目,中國則是發射了量子科學實驗用衛星墨子號上太空。台灣科技部編入每年7,000萬元預算到量子電腦基礎研究,以培養未來的人才。
  
各國重視的原因,在於這將是量子力學的二次革命,「1957年電晶體的發明(帶動現代半導體產業蓬勃發展),只用到簡單的量子力學,現在的量子電腦,利用量子的糾纏性與疊加性等物理現象,帶動量子力學的第二次革命。」台大IBM量子電腦中心主任張慶瑞在「科創講堂」演講中指出。(詳見P.50)   
  
理論上,這個革命可以帶來龐大的運算威力,因為在相同位元數比較之下,量子電腦的運算速度是傳統電腦的2的n次方。也就是說,在短短幾秒中,量子電腦就能解開現在超級電腦要花上幾萬年才能解開的問題,快如閃電。

一台擁有50量子位元的量子電腦,可以超越世界上最強的超級電腦運算力!也就是說,超級電腦得花幾萬年解開的問題量子電腦只要幾秒鐘。
IBM

「量子電腦的威力將等同於二戰時的核彈技術。」美國右派智庫明言。雖然,量子電腦還在初步發展,就算是樂觀估計,都還需要5年以上的發展時間,才會大量地展開商業應用,但量子電腦龐大的運算威力可能對國防安全帶來毀滅性的影響,讓各國政府不敢小覷。

到底量子運算是什麼?成大物理系特聘教授張為民在〈量子科技時代的來臨〉一文指出,「在量子科技的世界中,人們完全拋棄傳統資訊處理器的概念,即拋棄利用電晶體控制電流開關來實行數位化的手段,而是用量子疊加態處理資訊的數位化,並用量子糾纏實現平行計算。」
  
量子糾纏的特性比光速還要快,還被愛因斯坦形容為「鬼魅似的遠距作用(Spooky action at a distance)」,因而增添不少玄妙色彩。除了國防安全需求,量子電腦的熱潮也與半導體界著名預測:摩爾定律(Moore's law)的瓶頸有關。
  
摩爾定律為Intel創辦人之一摩爾(Gordon Moore)在1965年提出,內容為積體電路中的電晶體數目,每隔12個月就會增加1倍;而後摩爾修正了模型,改為單位面積晶片上的電晶體數量每2年就能增加1倍。

若換算為成本,意指即每隔2年,積體電路成本可降低5成。不僅Intel,整個全球半導體業在這50多年來,大致依循摩爾定律增加電晶體的數目。

不過,電晶體未來可能遭遇到物理瓶頸,台大電機系副教授李峻霣指出,「隨著摩爾定律的進展,電晶體越變越小,其氧化層亦會越來越薄……有可能產生閘極漏電流,影響原本的電晶體效能。」此外,業界也擔憂晶片製造成本過於昂貴的問題。
  

IBM

雖然,摩爾定律僅是一個技術發展預測,不是嚴謹的科學定律,但也讓人不禁想問,摩爾定律過完50歲生日後,還能繼續走多遠?
  
摩爾定律的極限,讓半導體業者從3D晶片設計、石墨烯等矽材料替代品與矽光子元件等各種方向,找尋電腦晶片的未來,量子電腦也是新方向之一。業界探討,或許量子電腦有可能解決摩爾定律的瓶頸。
  
「摩爾定律最大的意義是成為全世界半導體公司的監督者。」台積電創辦人張忠謀指出。台大電機系副教授李峻霣在〈淺談電晶體〉一文中也贊同,「摩爾定律引領美、日、台、韓等國這50年來的半導體技術走向,驅使全球半導體工業甚至學術界不斷研究半導體特性、元件物理與製作技術。」
  
不過張忠謀預測,「摩爾定律在技術上可行,電晶體密度還是會翻倍增加,可以持續到2030年,但業界會在2030年前就會先遭受到『經濟成本』太高的挑戰。」

國際研究暨顧問機構Gartner曾統計,以7奈米技術而言,SoC(系統單晶片)的總設計成本將增加至2億美元。

「如果10奈米晶片產量低於1,000萬片,分攤到每個晶片成本就高達100美元。以此推估七奈米以下製程,若良率與產出無法提升,單顆晶片成本將十分高昂。」工研院產科國際所產業分析師劉美君坦言。
  
至於量子電腦與古典電腦的運算力差異有多大?台灣大學IBM量子電腦中心主任張慶瑞在一場演講中舉例說明,「如果每次走1公尺,走30次後可以走多遠?

傳統電腦的走法是1×30,結果是30公尺;量子電腦則是2的30次方,約等於繞地球26圈。這種『指數增長』便是量子電腦的威力。」
  
從理論上來看,一台50個量子位元的量子電腦,就能超越世界上最強的超級電腦運算力!量子電腦可能帶來的極大運算力,已經成為Intel、IBM、Google及微軟(Microsoft)等世界科技巨頭競相研發的領域。

第二章‧科技巨頭競賽——Google取得先機

量子位元數量是這些公司的競逐重點。Google目前研發出72量子位元數晶片Bristlecone(狐尾松),成為現今量子位元數最高的紀錄保持人,而Intel與IBM則分別以49個與50個量子位元緊追在後。

在2019的CES大會上,IBM還發表20個位元的量子電腦IBM Q System One,並宣布將在2019年於紐約開設首個IBM Q量子運算中心。
  

數位時代

目前量子電腦還在非常初期的研究階段,外界對於量子電腦的終極影響力還不清楚,較為具體的認知是可能對於「製藥動力學」、「機器學習」等領域帶來革命性影響。在眾多領域當中,業界已經公認量子電腦在加解密領域將帶來巨大的影響。
  
科技部前瞻量子科技研究中心計畫主持人、清華大學物理系教授牟中瑜指出,量子電腦還在研究初期,因此業界都在找尋什麼樣的問題適合用量子電腦?「量子電腦並非無所不能,量子電腦和我們手邊的電腦系統完全不同,要針對『特別的』問題才有優勢。就像我們不會使用超級電腦做極為簡單的加減乘除一樣。」
  
哪些特別的問題呢?目前已經有量子因式分解演算法(Shor's algorithm)證明,可以運用量子電腦有效地進行大數值的因式分解,與量子搜尋演算法(Grover's algorithm)等演算法出現,讓量子電腦目前在這兩大應用領域中充滿優勢。
  
「Shor量子因式分解演算法是以量子力學為工作原理,與古典演算法的邏輯完全不一樣。」台大物理系教授管希聖在〈淺談量子資訊與量子計算〉一文中寫到,「以因式分解一個300位數的半質數為例,若以古典的演算法約需要10的24次方個步驟,以運算速度為10的12次方Hz的電腦計算,若每一步驟需要一個周期,則需要15萬年解決,但若以量子的演算法去做因式分解,則不到一秒!⋯⋯而Grover的量子搜尋演算法之搜尋次數則只需要約古典演算法搜尋次數的平方根。所以同樣一個問題,古典演算法需要約數十萬次的搜尋次數,而量子演算法只需約一千次。」
 

量子電腦和傳統電腦在元件上有很大差異,首先量子電腦需要微波發射器或電磁脈衝發射器,發射微波或電磁脈衝,再利用超導材料作為線材傳遞訊號,並且回收訊號進行運算測量。

其次,量子晶片需要放置在接近絕對零度的冷卻器中。第三,現今的傳統電腦晶片需要和記憶體協作分工才能完成計算任務,但量子電腦的計算流程中,不一定需要記憶體。

在造價方面,以清大實驗室的2位元量子電腦為例,總經費(不含晶片製造成本)約為3,000萬元,最昂貴的就是大型冷卻器,成本約1,500萬元,占總費用一半。

1)_冷卻塔 2)_微波發射器與電磁脈衝發射器
Shutterstock
3)_2位元電子晶片
Shutterstock
4)_超導管線
Shutterstock

「我們生活中普遍使用的RSA密碼就是植基於『將很大的數字N作質因數分解是困難的』這件事,但Shor量子演算法將質因數分解變得非常容易。因此量子電腦將對RSA加解密系統帶來毀滅性影響。」趨勢科技資安研究群核心技術部資深協理張裕敏指出。

若業界真正製造出量子電腦,並且利用量子驗算法快速破解因式分解,那現今我們用的RSA加密就形成虛設,這也是為什麼軍事國防、金融及資安業,對於Shor量子因式分解演算法的威力特別看重。
  
不過,量子電腦在十年後取代我們的手機的可能性不高。

數位時代

第三章‧前進未來世界——待突破的2大挑戰

牟中瑜認為,「20年內量子電腦成為個人電腦的可能性極低。量子電腦在初始,會與一般電腦一起以混合運算形式存在,如IBM Q System One就是透過古典電腦控制量子電腦,而且由於量子電腦必須在接近絕對零度(約攝氏-273度)的極度低溫環境中,量子晶片也得在大型的冷卻設備內運作,我們很難隨身攜帶這麼大個冰箱出門,因此量子電腦在初期會以雲端運算(Cloud Computing)方式提供服務。」
  
而且量子電腦也未必會在我們的生活中呼風喚雨,因為技術製造還有重重挑戰。牟中瑜就指出,以目前最受歡迎的量子閘派別技術來看,Google雖然指稱已經造出72個量子位元的處理器,但光拚「數量」還不夠,還需要高品質的量子位元,才能提高運算精確度。

因此目前的量子電腦都需要加入「除錯」機制,也就是說,一個量子位元,可能需要配上3至4個用來除錯的量子位元,才能夠提高量子位元的總體品質。
  
「也因此理論上1,000個位元的電腦,在實際執行上,可能需要成千上萬個量子位元才能做出精確的運算,以目前的技術來看,20年都不一定做得到。」牟中瑜說。

另外,量子狀態雖然很神奇,但卻有個「玻璃心」,很脆弱。量子狀態存在的時間很短,連一秒鐘都不到,在這個電光火石的短短時間,就要利用這些位元運算完畢,並測量全部的量子位元找出答案,這也是一大技術瓶頸。
  
由於以上兩大技術困難,現階段來說,很多科技業界大老對於量子電腦沒有太多期待。 超微(AMD)執行長暨總裁蘇姿丰接受《數位時代》採訪時就指出,現在還看不出來量子電腦在未來半導體產業中,是扮演重要角色或只是小小的配角,因此對AMD來說,現階段幫摩爾定律「延壽」(舉例來說,利用各種技術延長摩爾定律的時間,如晶片的3D整合技術)更為重要。
  
全球記憶體大廠美光也抱持雷同看法。「美光對於重要的新興科技都有投入研究資源,量子電腦也是美光研究領域之一,不過,現在要談論此對半導體界帶來的影響性都還太早。」美光運算與網路業務部門資深副總裁暨總經理Thomas T.Eby指出。

廣達電腦創辦人林百里也說,「量子電腦是一定會做這件事,但現在講太遠。」他強調,「量子電腦是最高速運算,不容易用在商業上,這種超超高速運算,或許是用在黑洞觀測上,一般商業應用其實用不到。」

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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 )
量子晶片4大製造方法大公開

2 72、50、49,數量決定運算力量?解讀量子位元的背後意涵

Google
當閱讀量子電腦企業相關文章時,總是會看到「量子霸權」4個字,到底量子霸權是什麼意思?對於量子電腦的進展來說又有什麼意涵呢?

「量子霸權」是2012年由加州理工學院物理學家普瑞斯基爾(John Preskill)提出的概念,意思是當量子電腦發展到50量子位元時,運算能力就可以超越傳統電腦的運算能力。當這一天真正的到來,不僅代表科技走到一個新的里程碑,也意味科技公司真正擁有主宰量子電腦研發能力。

2018年3月,Google發表72位元數的量子處理器「狐尾松」(Bristlecone,其晶片裡量子位元的編排圖案就像一個松果),成為量子電腦的領先者,Intel與IBM則分別以49個與50個量子位元緊追在後。

Google 量子AI實驗室2018年公布了具備72量子位元的處理器「狐尾松」(Bristlecone)。
Google

市面上有哪些量子電腦?差別在哪裡?

Google在2013年成立量子AI實驗室(Quantum AI Lab),並禮聘加州大學聖芭芭拉分校超導量子電腦專家馬丁尼斯(John Martinis),該團隊長期與NASA合作,目標是將量子電腦應用於機器學習等電腦科學問題。

《MIT商業評論》指出,「Google與NASA協議,希望NASA分析Google量子處理器上所運行的量子電路成果,提供其與經典模擬方案間的比較結論,從而支持Google驗證自身硬體,並建立起量子霸權基準。」

不過,Google與Intel等公司的量子晶片或服務目前並未開放商用,有開放商用的是IBM與D-Wave這兩家公司。

IBM宣布研發出全世界第一台50量子位元的量子電腦,並在2018年的CES正式亮相。另外,IBM以雲端運算形式對外開放Q System One,5個量子位元以內免費,目前最高提供20個量子位元運算服務,吸引眾多量子電腦研究者使用。

除了這些大公司,小型企業中則以加拿大D-Wave與美國Rigetti知名度最高。

1999年創立的D-Wave,2011年推出世界上第一台商用量子電腦、128位元的D-Wave One,美國知名國防工業承包商洛馬公司(Lockheed Martin)還成為首名客戶。

因為D-Wave在量子電腦領域進軍相當早,因此採用的企業眾多,如福斯(Volkswagen)就用D-Wave計算與模擬北京的計程車交通流量,找出最佳的派車法則;Google進軍量子電腦領域時,也曾採購D-Wave作為研究之用。

不過由於D-Wave使用的並非IBM與Google等公司採用的正統量子閘(quantum gate)技術,而是量子退火技術(quantum annealing),而且D-Wave只是一種專為解決「最佳化問題設計」的量子電腦,無法解決更廣泛的運算問題,因此外界對於D-Wave一直抱持相當大的懷疑,例如麻省理工學院教授阿倫森(Scott Aaronson)就多次公開質疑D-Wave的效能。

而為了向外界證明自己的技術實力,D-Wave在科學期刊《自然》刊登了一篇論文,證明自身晶片擁有某些量子特性。

2015年Google的研究團隊發表了一篇論文 ,比較D-Wave 2X量子電腦與單核心傳統電腦在幾個量子退火演算法問題上的效能差異,結果指出「針對某些特定問題,D-Wave的速度是傳統電腦的1億倍。」因此若以廣義的定義來看,D-Wave也可以視為一種量子電腦。

不過,走特殊路線的D-Wave是否比量子閘學派的IBM與Google方法更好?還有待更多應用證明。

至於創立於2013年美國量子電腦新創Rigetti,是由IBM的量子運算物理學家所創,除了推出量子晶片,也推出量子計算的雲端服務。

類量子運算的富士通

受到量子電腦技術的啟發,日本第一大IT服務供應商富士通(Fujitsu),透過模擬量子退火的計算方式,推出使用數位退火(digital annealing)技術的晶片DAU(Digital Annealing Unit),與伺服器產品。

由於富士通使用的是「類量子運算」,工研院產科國際所產業分析師劉美君指出,「若要嚴格算起來,其技術並不透過量子糾纏與疊加特性,還是採用傳統晶片電路優勢進行平行運算,並非真正的量子電腦。」

也就是說,富士通產品名稱上雖和量子電腦扯上關係,但還不是量子電腦的產品,只能算在傳統電腦裡的超級電腦。

目前,製造量子晶片技術最主流的學派是採用「超導體材料」。超導體材料的優點在於,製造出來的量子位元執行速度快,也較容易製作出多個量子位元,實現量子糾纏,因此吸引Google與IBM等科技公司研發。

除了超導體材料,也可以採用半導體材料製造量子電腦晶片。雖然超導體材料備受關注,但全球產學界對於超導體的技術發展還不像對半導體的成熟,而且半導體和現有的主流晶片製程較為雷同,這也是為什麼Intel對於半導體材料技術流派非常支持,而這個流派也與台灣的半導體產業核心能力較接近。

不過,這些技術派別都有自己的優點與缺點,並不是說一種技術方案就比另一種好,最後的發展都還很難說,還未到一個大突破的階段。

Science

至於量子位元的數量,清大物理系教授牟中瑜強調,「雖然量子位元數量重要,但更重要的是品質。以現行的技術來說,必須有除錯機制,才能降低錯誤率、提升準確度。因此,在實務操作上,一個量子位元需要3到5個,甚至上百個量子位元『備援』。所以『量子霸權』的50個量子位元,在實務操作上可能需要成千上萬個量子位元,以提高量子位元的總體品質。」

此外,量子很容易受到電磁波、熱輻射等外界干擾,因此技術上還必須讓量子維持在量子糾纏的穩定狀態,完成測量與運算的時間,這稱為相干時間(Coherence Time),目前業界最好的成績為10的負3次方秒。若相干時間太短,則無法完成有意義的計算,也很難增加正確率。

由此可知,量子電腦技術還在非常早期的階段,各家利用不同技術發展量子電腦,也因此現階段當業者推出量子晶片時,光是比較量子位元數並無法公正客觀比較各家技術進展,必須抱著更多的懷疑心態看待這個新科技。

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量子位元
Qubit
又稱為Q位元,在量子資訊學中是量子資訊的計量單位。傳統電腦使用的是0和1,量子電腦雖然也是使用0跟1,但不同的是,量子電腦的0與1可以同時計算。在古典系統中,一個位元在同一時間,只有0或1,不是0就是1,不是1就是0,只存在一種狀態,但量子位元可以是1同時也可以是0,兩種狀態同時存在,這種效果叫量子疊加。這是量子電腦計算目前獨有的特性。 (來源: 維基百科 )
通往量子電腦的橋樑

3 不用等!富士通的量子電腦夢,先從「退火技術」開始

富士通
量子技術的開端技術,郵局可利用它1秒搞定物流問題,成本還降7%。

量子運算(Quantum Computing)是下一世代最重要的技術,強大的運算力有機會推動人工智慧大躍進,甚至讓科技奇點(Technological Singularity,科技發展到一定程度時,在很短的時間內可能會有極大而接近無限的進步)提前到來。

到那個時候,舊有的社會模式會被遺棄,新的科技規則將主宰世界。也因此全球科技巨擘都希望能先卡好位置,占據未來的領導地位,包括Google、IBM、微軟都投入鉅額資本於量子技術。

日本最大的IT服務商富士通(Fujitsu),也認可量子技術的未來性。不過,與其投入資金在設備昂貴、尚未落地、未商用化的量子電腦上,他們務實地先朝「類量子運算」前進,開發出模擬量子運算的數位退火(digital annealing)技術晶片與伺服器,以商用、馬上能用為前提,替企業提前為未來做好準備。

何謂退火,又能解決什麼問題?

富士通的數位退火標明是「受到量子啟發」的技術。而量子退火是透過量子漲落的特性,擁有能在多組候選解答中找到解答的能力。

|小辭典|
量子漲落
在量子力學中,量子漲落(quantum fluctuation)允許在「完全空無一物」的空間中出現少許能量,且該能量在極短的時間內會消失。

舉個例子來說,如果想知道一片山谷中最低點的位置,可以請一名測量員地毯式搜查,花上大把時間踏遍所有位置獲得解答。而退火技術則像是空投一名會分身的測量員,隨機出現在山谷中的所有位置,各自回報後,找出真正的最低點。

退火技術最適合用來解決組合最佳化(combinatorial optimization)問題,如旅行業務員、裝箱問題,不過,為何需要透過量子運算,用普通的電腦不行嗎?

以經典的組合最佳化問題「旅行業務員」來說,在地圖上有5座城市,如果業務員要找出造訪每座城市,且最終須回到原點的路線,總共有120種可能──這種程度傳統電腦還能以「暴力」的方式找出所有答案後選出解答,但當城市的數量達到30座,可能性將高達2.65×10的32次方(算法為30!=30×29×28....×3×2×1)時,傳統電腦需要花上8億年才能算出所有的答案,但透過富士通的數位退火技術,一秒內就能獲得解答。

富士通投資數位退火技術,最主要仍是因為量子電腦的不確定性。

富士通AI事業總部日本區負責人後藤正智也在富士通論壇上提到:「不太確定量子電腦在兩、三年內是否能夠成真。」因為量子電腦仍有例如:建置低溫環境的成本、真實應用的場景、商用化的考量等許多障礙待克服。

  • 退火技術如何解決問題?
    受到量子電腦技術的啟發,富士通透過模擬量子退火的計算方式,推出使用數位退火技術的晶片DAU與伺服器產品,在多組候選答案中快速找到解答。
傳統方式: 以拼圖為例,要找出最佳解答,傳統方式是一步步放進拼圖,一旦失敗了就要從頭開始,而且不知道要花多久時間才能成功。
富士通
退火方式: 退火方式是在極短的時間內搖晃所有拼圖,讓它們拼出極大量的候選答案,優勢是時間短、有機會獲得最佳解;缺點是獲得的是「相對」最佳解。
富士通

西敏寺銀行、福斯汽車都是客戶

因此富士通選擇投入能夠在真實世界派上用場,且具商業價值的數位退火技術。他們在2018年推出了數位退火晶片DAU(Digital Annealing Unit),2019年更推出了伺服器,採用租賃並提供技術支援的方式向企業主收費。

且富士通的數位退火技術目前已在製藥、醫學、運輸、金融與製造業等領域驗證可行,如西敏寺銀行、福斯汽車都是其客戶。

舉更實際的案例來說,日本岩槻區的郵局就應用數位退火技術,解決郵件物流的複雜問題。由於郵局貨車遞送郵件時需要考量的因素相當多,包含運送成本、郵務員工時、包裹種類與重量等,再加上運送路徑,可能性組合無限多,用傳統電腦幾乎不可能找出最佳路徑。

但在導入數位退火技術數個月後,郵局運送車數量從52輛減低至48輛,整體的成本估計減少了7%。更大的關鍵是計算時間,透過數位退火技術只需1秒就能獲得解答。

不過,富士通數位退火展示區的解說員也提到,透過數位退火計算方式得到的答案,並不能確定是「最佳解」,需要不斷重新計算,相互對比找尋最合適的路徑和運送方式。

也因為有許多案例與客戶,富士通資深全球產品行銷經理曼朱‧安妮‧歐烏曼(Manju Annie Oommen)才說,數位退火技術能夠解決問題,「而且能讓企業先為量子電腦的時代做好準備。」

或者更簡單的來說,數位退火技術,是通往量子運算的橋樑,也是富士通在面對量子技術來臨前所選擇的策略。

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量子技術領航者

4 「蒙娜麗莎式」華麗出場,IBM催生全球第1台商用量子電腦

IBM
全球第一台商用量子電腦登場,打造猶如蒙娜麗莎般亙古絕世的姿態,IBM華麗開始新世代技術的序曲。

  量子電腦(quantum computer)被視為下個世代的前緣技術,在眾多巨頭中,IBM是目前檯面上,技術能力最具突破性的代表。早在1998年,IBM就開發出第一個量子位元(qubit),也是第一家透過雲端提供量子運算服務的公司。

  之所以布局的這麼早,IBM東京研究所所長森本典繁(Norishige Morimoto)解釋,量子電腦的運算能力,極有可能在將來超越現在的超級電腦,而當運算能力發展到難以想像的地步時,不只具科學、化學研究的重要性,也可能跟國家安全保障有關,「會投入研發,是我們提前看到技術上的威脅。」

  2016年,IBM推出第一台擁有5個量子位元的量子電腦,並推出雲端量子運算服務IBM Q Experience,開放給企業、大學等研究單位應用量子運算資源。截至目前,已經有超過12萬名用戶,在上面執行超過一千萬次的實驗、發表超過150篇相關論文。

全球第一台專為商用、科學設計的電腦

  很快地,2017年11月,IBM宣布研發出50量子位元的原型機,並在2018 CES(美國國際消費電子展)中正式對外展示,倒圓錐外型的特殊結構、宛如吊燈的外型,吸引不少關注。當時IBM研究主席傑夫·韋瑟(Jeffery Welse)還胸有成竹表示,IBM有信心在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5天運算才能得到的結果。」激起不少人對於量子運算的期待與想像。

準備好進入量子時代了嗎? 「只需要幾分鐘,量子電腦就能算出傳統電腦花5天運算的結果」,IBM一番豪語激起不少人對量子運算的期待與想像。
IBM

  讓量子電腦走出實驗室,一直是IBM的目標,然而完整的量子電腦系統非常龐大,若加上冷卻、電源管理系統,就占掉IBM在紐約實驗室的一整個房間。一年多前IBM開始針對量子運算系統優化,在CES 2019展中,IBM向全世界展示了全新的量子電腦「IBM Q System One」,這是一台20量子位元的電腦,雖然跟傳統電腦相比,在運算能力上並沒有太多優勢,但特殊之處在於它把上千個精密的零件,以模組化的方式全部塞進一個密閉的玻璃外罩中,並找來《蒙娜麗莎》展示櫃的製造團隊操刀,宛如藝術品呈現在大眾眼前。

模組化精密設計: IBM將量子電腦上千個精密零件,以模組化方式放進玻璃外罩中,並找來《蒙娜麗莎》展示櫃的製造團隊操刀,向全世界展示首台商用量子電腦「IBM Q System One」。
IBM

  IBM Q System One是第一個專為科學、商業用途而設計的量子電腦,模組化的精密設計,大幅提升了環境的穩定度,重要的意義在於協助開發者建立起量子電腦與一般電腦之間的介面,用來測試更多與量子電腦相關的應用,讓脆弱的量子電腦,有了走出實驗室的機會。

  IBM認為比起量子位元數的多寡,整體系統的質量、可靠性更為重要。今年3月,IBM開發出量子體積指標(Quantum Volume metric),這是一個用來測量量子電腦效能的指標,量子體積越高代表性能越強,現實中許多難解的問題,也就有被解決的可能。

  雖然IBM Q System One量子位元僅有20,不過量子體積達到16,是目前為止最高的量子體積,這意味著IBM量子電腦的錯誤率降低,系統發展趨於穩定。不過像是量子位元數量(Number of Qubits)、設備連接(Device Connectivity)、相干時間(Coherence Time)、閘門和測量誤差(Gate and Measurement Errors)、設備交叉通訊(Device Cross Talk)、電路軟體編譯效率(Circuit Software Compiler Efficiency)等許多因素都會影響量子體積。

  此外,IBM拋出量子性能「摩爾定律」的概念,2017年擁有5量子位元的IBM Q Tenerife,量子體積為4;隔年IBM Q量子位元為20,量子體積為8;今年IBM Q System One雖然量子位元依然是20,但量子體積已經成長到16,顯示自2017年以來,IBM量子體積每年都成長一倍,跟半導體摩爾定律非常類似。IBM的目標,是至少每年增加一倍的量子體積,朝量子霸權(quantum supremacy)的目標前進。

  IBM認為,量子電腦並非要取代傳統電腦,而是要透過高速的運算能力,補足現今系統的不足。量子運算的發展目前仍在早期的階段,森本典繁用「商業化前期(Pre-commercial)」來描述目前產業的狀態,即便已經開發出量子運算系統,適合的關鍵應用還沒有出現。

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量子技術要的人才:數學、物理、產業知識都要有

  許多媒體、專家都預測,因為擁有極快的運算速度,量子電腦商用後,也許可以在機器學習、模擬化學方程式、材料開發、投資組合平衡優化、風險分析等領域發揮優勢。不過森本典繁認為,這些都只是商業上的預測,哪種應用最適合用量子電腦來做還很難說,「化學方程式模擬」是目前所知比較可能的量子電腦應用之一。

  IBM目前規劃將IBM Q的運算能力,透過網路的方式出租給客戶使用,而不是直接把整台機器運送給客戶。IBM雲端軟體平台Qiskit,同時也向IBM Q Experience、IBM Q Network用戶開源,下載次數超過19萬次,讓用戶有機會透過量子做開發。

  IBM相信接下來幾年,量子電腦帶來的衝擊會超過目前實驗室內的研究,這也是為什麼IBM想讓所有的企業都做到「準備好進入量子時代」的狀態,也許在不久的將來,產業將會發現第一個適合量子電腦的關鍵應用。

  量子是一個完全推翻古典物理學概念的領域,森本典繁認為,優秀的量子人才必須具備數學、物理以及產業知識,這樣的人才目前非常稀少,要培養也不容易。若量子電腦要有突破性的發展,需要靠不受古典物力學限制的「Quantum native(量子原住民)」,也因此,IBM研究院開發出全世界第一款開源量子遊戲「Entanglion」,這是一款可以讓兩名玩家一起玩的手遊,玩家可在遊戲中學習到量子位元、量子糾纏等等的量子電腦原理。

培養量子原住民,就靠它! IBM開發出全球第一款開源量子遊戲「Entanglion」,玩家可以從中學習到量子位元、量子糾纏等量子電腦原理。
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  即便量子電腦看似離我們遙遠,從資安角度來看,量子電腦可能突破現有的密碼機制,對現今的通訊、密碼架構產生影響,但森本典繁認為,不必把新技術看成一種威脅,反而要從現在開始關注量子電腦,「這是一個自然的趨勢,無論是量子電腦或是AI(人工智慧)都是一樣的。」

|專家觀點|

森本典繁:3到5年內,量子電腦就會有巨大技術突破

森本典繁畢業於麻省理工學院,在版權保護、數位浮水印領域中,擁有超過20項專利。
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  「量子電腦是一個很刺激的題目。」臉上帶著一抹驕傲微笑,生於台灣的森本典繁(Norishige Morimoto),除了是IBM第一波投入量子電腦研究的人才,更是這一波量子浪潮中,最具代表性的人物之一。

  40年前,當時就讀中學的森本典繁,某次在書中讀到有關量子的知識,從此讓他眼界大開,「像是一個科幻故事一樣,當時不覺得這是科學性的東西。」因為我們一直都是接受古典物力學的訓練,而量子科學是一個與現在科學認知完全不同的概念。

  為了研究量子電腦,2006年森本典繁從日本飛往IBM位於美國紐約的研究所,一待就是三年。「我當時是IBM資深副總裁約翰·凱利三世(John E. Kelly III)的特助。」約翰·凱利三世是直接向IBM執行長羅密提(Ginni Rometty)負責的。

  「當時我幾乎所有的技術都有接觸,所有他(指約翰·凱利三世)review的東西我都看得到。」這份特助的工作,讓森本典繁在對於新技術的理解上大為精進。這樣「特助」的角色,其實很類似亞馬遜執行長貝佐斯身旁的「影子顧問」,目的是把重要的員工帶在身邊以便言傳身教,就是希望這些人未來可在公司擔起最具挑戰性的業務。

  森本典繁其實跟台灣有很深的淵源,他的媽媽是台灣人,他在台灣出生,直到小學三年級才到日本,「我以前住在北投,我會台語、國語、英文、日文,還有一點點韓文。」今年(2019)在台灣IBM Think大會上,當森本典繁要上台發表演說時,所有人都戴上了口譯耳機,結果森本第一句話就讓台下觀眾驚豔不已:「大家好,我國文很好,台語也可以。」觀眾發出陣陣笑聲,才知道原來他中文這麼好,甚至一點口音都沒有。

  今年已經是森本典繁在IBM工作的第32個年頭,「這是我第一份工作,剛開始是做類比電路工程師,」 主要是開發電腦顯示器的映像管,「我學好後,映像管被IBM淘汰,之後就讓聲寶、大同這些公司做。」在轉換專業領域之前,因為熟悉技術與中文,森本典繁曾多次回到台灣,與聲寶、大同技術交流。

  森本典繁強調,量子電腦的出現並非要取代傳統電腦,「它們(指量子電腦)可以解決某些難以解決的問題,以此補足現今系統的不足。」雖然產學界投入許多資源在研究量子電腦,然而時至今日,還沒有找出關鍵的應用,森本典繁用感情來比喻,「找量子電腦的應用,有點像是找另一半,現在還沒找到。」其實問題可能就在眼前,卻被思維限制而看不到,這是目前整個產業還很難找到關鍵應用的原因。

  從映像管到量子電腦,森本典繁一直走在技術的最前緣,他認為,量子電腦發展需要一批不受古典物理學限制的「量子原住民」(Quantum native)加入。
優秀的量子人才,必須具備數學、物理以及產業知識,森本典繁觀察,現在很少人同時具備這三種能力,要培養也不容易,「就算學好了(指物理化學知識)也沒用,必須知道產業問題在哪裡」,才能將技術實際應用在產業中解決問題。

  對他來說,量子電腦最迷人之處,在於它的深不可測,「其他業務比較Organic Growth(有機增長)。量子電腦不能預測,也許在某個地方出現一個天才,技術一下子就會突破。」森本典繁樂觀認為,巨大的技術突破,極有可能在3到5年內就會出現,「我對未來發展是很樂觀的,光想就很興奮。」

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量子電腦與生活

5 國防、資安都害怕!當量子位元發展到200個,密碼防線將全面崩潰

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當量子位元數到達200個,我們生活中普遍使用的RSA加密法將形同虛設,對企業、國安造成重大影響……當那一天來臨,你要如何守住密碼防線?

量子電腦應用廣泛,從製藥、新材料開發到物流都有可能成為被革命的領域,其中對於密碼學的影響,由於和國家安全息息相關,特別受到各國政府重視,如美國國家標準與技術研究院(National Institute of Standards and Technology,NIST)早在2012年就開始後量子加密專案(Post-quantum crypto project),希望全球專家集思廣益,設計出能夠抵抗量子電腦技術的後量子密碼(Post-quantum Cryptography或Quantum-resistant Cryptography)。

破解RSA超輕鬆

在台灣,主要是業界主導發展,以趨勢科技為例,他們在2018年年初就組成一個六人團隊鑽研量子電腦與密碼學。趨勢科技資安研究群核心技術部資深協理張裕敏指出,「只要量子位元數能增加至200個,威力將會很驚人!到時候『有加密等於沒加密』。」

「量子電腦特別擅長尋找周期,而RSA加密演算法中有周期性,因此能輕鬆地被破解。破解RSA算法是量子電腦發展的目標之一,也是學界、業界和政府投入大量資金進行研發的重要原因之一。」史丹佛大學應用物理系博士候選人陳奕廷在《RSA加密法遇上量子電腦》一文指出。

RSA加密演算法源起於1978年,是學者李維斯特(Rives)、薩莫爾(Shamir)及阿德曼(Adleman)利用分解大質數的困難度,所提出的非對稱性金鑰演算法。

非對稱性密碼的原理是採用一對金鑰,如公開金鑰和私密金鑰(public key and a private key),訊息由其中一把金鑰加密後,再由另一把金鑰予以解密;公開金鑰可以被廣泛發布,而私密金鑰則必須隱密地加以保存。RSA也是目前普及性很高的公開金鑰加密法。

「RSA算法基於兩個質數p和q,它們製造符合條件的公開金鑰(n,e)和私有金鑰(n,d)⋯⋯對於沒有私鑰卻想要破解訊息的竊聽者,他唯一的資訊只有公鑰(n,e)。其中一種破解方式是對n做質因數分解找出p和q,從而推導出私鑰d。」陳奕廷解析。

張裕敏分析,「對稱性密碼(加密與解密使用同一把金鑰,需要傳送和接收雙方均擁有相同的一把金鑰)的安全性,將會從K-bit減半成K/2-bit,例如現在大量使用的高強度加解密法AES(Advanced Encryption Standard)。

不過,和對稱式加密比較起來,量子科技對於採用公鑰與私鑰的『非對稱式』加密,如RSA與橢圓曲線(ECC)等加密演算法,影響最大,所謂的『毀滅性後果』並非危言聳聽。」

|小辭典|
橢圓曲線密碼學(ECC)
RSA與新一代的公開金鑰演算法ECC,是目前普遍使用的兩種加密工具,不同於RSA需要較長金鑰,ECC只需使用較短的金鑰長度,就可達到強度效果,所以非常適合智慧卡等環境。

舉例而言,對於電商業者來說,從網站到瀏覽器再到使用者的訊息中,所產生的帳號密碼的機制全都有容易被破解的問題。而對於IC設計業者,若採用橢圓曲線加密,也有很大衝擊。「業界應該要正視這個問題,到了那個時候,業界必須找出需要全新的公鑰密碼算法。」張裕敏呼籲。

從個人到國家的影響

陳奕廷指出,「對於標準的2048位元RSA加密,就算用目前世界上最強的超級電腦:中國的太湖之光,花費等同於地球年齡、也就是46億年的時間都無法破解。RSA演算法安全性高,又只需分享公開金鑰,因此從社交軟體到軍事通訊都有它的蹤影,我們的生活可說是一舉一動離不開RSA。」

不過,目前全球業界的技術要到達200個量子位元還有不少難度,以現在已經被公布的技術來說,包括IBM與Google等科技巨頭,量子電腦的量子位元品質並沒有很好,因此一個量子位元還需要很多個量子位元輔助「除錯」(這個數量目前業界並沒有統一的定論),才能讓錯誤率降低、提升運算精確度,因此理論上所謂的200個量子位元,在實務操作上可能需要成千上萬個量子位元。

也因此,雖然量子電腦在理論上能對非對稱性密碼系統帶來毀滅性影響,但在實務上距那天還非常遙遠,目前業界也難以估計可能發生的時間。不過,從美國的重視還是可看出對國防安全的影響。

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量子電腦大未來,台灣的位置在哪裡?

6 科技部斥資7千萬啟動專案,陳良基:量子電腦發展需要「破風者」

數位時代
當各國政府都重視量子技術前景,科技巨頭砸金投入研發,台灣該扮演什麼角色?身為半導體重鎮,台灣該勇敢躍進下一個世代產業扎根技術嗎?

2016年歐盟發表量子宣言,同年,中國發射全球第一個量子通訊實驗衛星上太空。

面對歐、美、中等大國都投入資源研發量子資訊科學,科技部部長陳良基認為:「對台灣來說,既有人才與投資資源無法和美國、中國等大國比較。未來若真的邁入量子電腦時代,台灣是小國,很難光靠應用就能帶動整體產值,應用發展還是大國的強項。」

因此,台灣在量子科學全球科技產業鏈中扮演的角色,預期會和現在個人電腦產業分工角色雷同,「台灣的戰略是成為量子資訊科學中,最重要的技術供應者與供應鏈,所以量子晶片製造,將是台灣的發展重點之一。」他說。

陳良基形容,「沒有半導體技術,就沒有量子電腦,因為量子電腦的實踐,需要靠半導體實踐。」然而若要把握量子晶片製造優勢,全球半導體晶圓代工霸主台積電是否會成為領頭羊呢?

台積電的商業模式一直是以「客戶為中心」,也就是當台積電的客戶有需求時,才會推動台積電往量子晶片製造邁進,也因此,在現今業界對於量子電腦未來發展還有太多未知,且商機未定時,探討台積電在量子技術的投資仍言之過早。

鼓勵學界先行,鎖定四大領域

目前業界仍處於被動等待客戶需求的階段,台灣的量子資訊科學研究主要是以政府發起及學術圈投入作為起始點。

科技部2017年委託學術研究團隊進行量子電腦發展規劃,召開10場量子電腦發展會議,並向國外學術單位取經,2018年4月正式啟動「量子電腦」專案計畫,投入7,000萬元預算鼓勵學界技術發展。2018年起補助清大、台大、中央大學研究計畫,期間5年,每年約投資1億元,這預算包括和IBM購買的商用量子電腦IBM Q三年使用權。

整體而言,政府在量子電腦預算並不多,「由於台灣資源不多,因此在策略上我們要能站在巨人肩膀上,才能有效率,看得夠遠。」陳良基指出。

他形容,「台灣的量子電腦發展策略,就像自行車比賽一樣,需要有人可以『破風』,像雁群一樣需要高度的團隊協作默契。」

然而量子電腦從雛形到真正商業化與大量應用階段,至少還要十年以上的時間,台灣在此之前,能夠做好足夠的人才和關鍵技術準備嗎?

目前科技部鎖定 量子元件與物理、量子演算法、量子通訊與量子電腦 等四大領域,據科技部工程司的「量子電腦」專案計畫指出:若未來量子電腦能大規模生產,就有機會讓台灣成為重要生產基地。

「台灣已具有低溫量測與量子位元樣品製作技術,可以結合台灣最具優勢的半導體產業打造量子位元及其製程研發,精進半導體低溫微波操控技術與單自旋量測技術。」該專案計畫如此指出。

從人才面來說,台灣在量子電腦領域的人才不少,單就量子力學來說,就有數十多位教授,量子通訊也有十多位,甚至以相關論文發表數量與品質來看,台灣也排名在世界的前段班。

量子電腦發展走到應用階段,至少預估還有十年空間,為提早準備足夠研發能量,台灣需要培養大量物理、數學與材料等基礎科學人才,但現今台灣人才還是對電機、資工與醫學等領域較感興趣,要如何吸引更多優秀的學子投入基礎科學的懷抱?

對此,陳良基認為,這個問題最適合的解決方法就是讓台灣的大學開始施行「不分系」制度,「台灣太早就針對專業分流,讓學生所學廣度不足,也過早把學生定型框架住,這是一種對人才培育方式的誤解,也是台灣高等教育亟需調整的地方。」

科技部長 陳良基
數位時代

台灣要成為量子科學中,
最重要的技術供應者與供應鏈,所以量子晶片製造,
將是台灣的發展重點。

培養量子原住民,探索量子精采世界

另外,培育更年輕世代對量子物理的興趣,也是長期可行的人才教育根本作法。IBM就對推動量子教育投入不少心力,比方為了讓更多學生理解量子物理世界,推出了「Hello Quantum」遊戲,藉由遊戲學習量子電腦。

培養「Quantum native(量子原住民)」,由這群新生代接棒探索量子物理的精采世界,並且把特性應用在量子電腦中,將可以讓量子電腦應用未來的想像空間更加擴大。

面對量子電腦的時代,培養年輕世代面對未知的自我學習能力,或許將比探討該訂定如何的課綱內容更為重要。

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