Google「量子霸權」神話揭密

2020.04.14 by
林信亨
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現職資策會MIC資深產業分析師,專業於前瞻產業與3D感測領域研究,研究範疇包括技術與應用趨勢、大廠策略研究。

Google「量子霸權」神話揭密
Yurchanka Siarhei via shutterstock
Google在Sycamore(梧桐樹)誕生後便聲稱「量子霸權」時代已經來臨,但除了BM認為太誇大外,也有專家指出目前技術與實務上應用,還有一段差距。

2019年9月20日,美國NASA意外刊出了Google量子運算的研究論文,其中提及Google所研發的Sycamore(梧桐樹)量子電腦,竟僅花200秒就可完成全球最強超級電腦所需耗時1萬年的複雜運算任務,引起科學界一片譁然。眾說紛紜之際,該論文卻又緊急下架,直至10月23日才又正式在《Nature》期刊上重新發布。

Google官方宣稱該項技術的突破,可媲美1903年萊特兄弟發明全球第一架飛行器的光榮時刻,象徵人類科技史上的「Hello Quantum World !」,證明「量子霸權(Quantum Supremacy)」不再是神話,充滿量子科技的未來世界指日可待。

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Google宣稱「量子世界」來到,用200秒完成超級電腦運算1萬年的任務

「量子電腦」的概念在1980年代初期由美國諾貝爾物理學獎得主Richard Feynman首度提出,運用量子力學原理所設計的「可逆計算」電腦模型,相較古典電腦具有指數級別的「超高速運算優越性」。

Google身為世界投入量子電腦的先驅,埋首量子領域13年,其最新研發的超導體量子處理器Sycamore,具有53個量子位元(原6×9二維陣列、其中1個失效),共可儲存253(≈1016=9.7千萬億)的位元串數據量。

為了證明在「量子霸權」的能力,Google設計了一項特殊問題:求解「量子電路」隨機輸出任意位元串的亂數分布機率,例如{0000101…}。由於量子干涉性(Quantum Interference),某些位元串的發生機率會較高,可藉由100萬次取樣運算,確保系統高保真度。該實驗同時以美國能源部的超級電腦Summit模擬量子電路作為對照組,比較兩者的運算結果是否相符與各自所需執行時間。

實際上,兩者之間差距為何?在初始模擬若干量子位元時,超級電腦Summit的運算能力遊刃有餘,與量子電腦Sycamore的運算時間相差無幾。但隨著量子位元數目以及取樣次數的漸進增加,系統複雜度大幅提升,兩者的時間差距呈現指數級擴大,最終Sycamore量子電腦僅花200秒便完成253個隨機亂數的發生概率,但推估Summit超級電腦完成同樣工作需耗時達1萬年!Google的測試證明,使用量子電腦可實現過去古典電腦所難以企及的問題,故主張達成「量子霸權」。

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IBM暗諷Google「量子霸權」說法過於浮誇,且解決的問題不具有任何實用性

Google的研究為科研界投下了一顆震撼彈,但另一量子電腦巨頭IBM卻反對這個說法,在去年10月22日發文嚴正駁斥Google「量子霸權」的真實性。

IBM表示,Google假定的演算法並未充分發揮超級電腦的運算優勢,經過IBM團隊重新修正與驗證之後,預估超級電腦的運算時間將從1萬年大幅縮減至2.5天。因此,IBM主張用超級電腦運算此項問題並非難以企及,不應該視此為達成了「量子霸權」。同時,IBM認為量子電腦與超級電腦各有所長,兩者應互為協同合作關係,且發展量子電腦並非要取代古典電腦,暗諷Google說法過於誇大。

不讓Google做霸權美夢,IBM也積極投入量子電腦的研發。
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此外,另有專家主張Google所設計的隨機亂數問題相當偏頗,頂多證明其高速運算效能,但距離社會大眾引頸期盼量子電腦能真正解決實用問題的理想情境,如預測氣候變化、推薦藥物最佳成分組合等,仍有一大段差距。

同時,既然超級電腦仍可費時解答Google所設計的問題,那麼實際情況並非「量子霸權」所稱「量子電腦可以解決古典電腦永遠無法處理的問題」,而更接近「量子優勢」所稱「量子電腦明顯擁有比古典電腦更快的運算能力」,因此削弱了Google刻意塑造「量子霸權」的神話地位。

「量子時代」曙光乍現,但商業應用尚處於萌芽期

儘管Google是否達到「量子霸權」仍備受爭議,但無可否認的是,相關研究的確大幅縮短了運算時間,驗證了量子電腦的未來發展潛力。正如同萊特兄弟飛機首航12秒、蘇聯首顆人造衛星Sputnik升空一般,當下雖未能證明有何實際應用,卻為下一個工業時代畫下新的起點。

不過,50個量子位元仍不足以解決現實世界的量子問題,這僅是超級電腦可以模擬單一個苯環分子結構狀態的程度。後續尚有如何發展實用的量子演算法、提高量子位元數目、延長相干時間、容錯與降低功耗等挑戰,甚至與古典電腦混合使用的新課題,可以預見這是遙遠的未來,而商業應用研究正處在早期的起步階段而已。

責任編輯:陳建鈞

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