【圖解】量子電腦與一般電腦差異是什麼?量子電腦原理是什麼?台灣有優勢嗎?
【圖解】量子電腦與一般電腦差異是什麼?量子電腦原理是什麼?台灣有優勢嗎?

要了解量子電腦,有5件事不可不知。首先,人類世界計算愈趨複雜,傳統電腦已無法解決,而量子電腦借助量子力學的「疊加」特性,實現計算狀態疊加,甚至「量子糾纏」可把量子位元(qubit)鏈接在一起。

因此,量子電腦在解特定類型問題時,會比傳統電腦更快、更高效。尤其在亂數產生、尋找未排序數列最小值、解決圖論(Graph Theory)中的節點連結、特徴吻合等問題,搭配設計多種量子演算法,可以解決傳統電腦辦不了的大問題。

而量子電腦目前聚焦於何種商機?例如生化、藥物開發過程中非常重要的「蛋白質摺疊」,由於古典超級電腦無法解決數萬種長蛋白質序列問題,但量子電腦新架構恰能解決這項複雜任務。它也可分析各式巨量數據,像是複雜的氣象數據等,提供更精確預測,讓人類能提早預警而減少損失和傷害。

此外,科學家也試圖用量子電腦解決全球暖化——透過開發碳捕捉或存儲技術,提高現有技術從空氣中提取碳的能力,或是探究分子之間結合或分裂時所涉及之原子級力量,以及探索電池能源——在原子級別進行虛擬實驗,模擬電化學的元素、材料、配方等,並可在虛擬實驗中進行操作和分析快速實現能量密度突破的組合。就如同使用導航求最佳路線解,傳統電腦只會模擬出一條路線,但量子電腦能一瞬間模擬所有路線並直接給出最優群解。

第4點是量子電腦還能對餐桌上的食物產生影響,因肥料生產中量子電腦將發揮極重要作用。含氮肥料使用的催化劑消耗了全球大量天然氣,年耗數千億美元並排碳污染環境。量子電腦可計算怎麼去探索並優化節能肥料所需的新催化劑,大幅減碳。

最後1項量子電腦的特點則是必須有冷卻系統,讓超導處理器保持在超低溫,在接近零下273°C的環境中運作,也對材料及製程技術要求極高,且由於量子的本質不確定性和對外界干擾的極高敏感度,使得高效的量子糾錯和檢測技術成為量子電腦一大門檻。

量子電腦
圖/ 數位時代

全球拚商用,哪些領域有利台灣?

隨著多量子位元(qubits)和更優相干時間(coherence times)的量子設備開發成功,如我國中研院近期已發表自研自製「5量子位元量子電腦」,這項進展對台灣來說是一大戰略地位的突破,有機會跨入量子硬體強國的產業鏈之中。尤其台灣強項的硬體製造,對國際上重視資安國防的友邦而言,台灣量子產業供應鏈是極端重要的戰略夥伴。

量子運算應用領域將擴及汽車、能源、醫療、新材料製造、化學製藥、人工智慧、網路安全和金融科技(如資本市場深度洞察、在毫秒級時間內做出正確決策)等。

目前國際上商用的量子電腦與應用,以美國127量子位元的IBM電腦及Google的70量子位元Sycamore電腦最有名。

我國量子科研及業界也正與國際量子標竿廠商有策略合作,像是美國IBM或AWS量子雲端運算平台(Amazon Braket),應用不同量子硬體架構下展開量子材料、元件及整合研究開發等。

Amazon Braket集結不同技術的量子硬體供應商,包括超導的Rigetti及牛津量子電路(OQC)、離子阱技術的IonQ、中性原子(Neutral-Atom)技術的QuEra及光子技術的 Xanadu等公司的多種量子運算硬體架構都集結於Amazon Braket上,其中離子阱技術的IonQ最新一代Aria的計算能力比前一代Harmony已大幅高出許多,我國開發者僅需少量程式碼修改,即可在不同架構中進行交叉驗證比對。

國際上商用量子電腦應用的發展過程帶來的著名例子,首先是化學模擬方面的優勢:如「固氮反應」製造肥料所需要的化學反應步驟,工業界催化固氮反應的關鍵是以哈伯法制氨,需要在高溫、高壓下進行,耗用極高能量。

但量子運算另一個做法,是利用細菌本身就有固氮反應的能力在常溫、常壓下進行製氨,傳統超級電腦無法有效模擬其固氮反應,但量子電腦將能破解其奧祕。

第2個有名例子,是在數理科研快速計算的例子「質因數分解」,這不像兩數相乘的公式那樣簡單,而是反過來將一個整數,拆解成2個相乘的質數。過去質因數分解不能快速解題,非對稱密碼系統之所以具保護性,也是仰賴「因數分解」等數學運算的困難性。

過去超大整數的質因數分解,即使傳統超級電腦的運算能力也無法在短時間破解。不過,量子演算法(Shor's Algorithm,可解質因數分解)已能在合理時間內完成破解。

量子電腦在產生真正亂數和處理非傳統二進位式資料會時占有較大優勢,例如傳統常用於金融市場的蒙地卡羅機器學習演算法,必須產生真正亂數才會有最佳表現,但新的量子電腦和人工智慧結合即可展現更強大能力,以目前RSA 2048標準來看,預期將可被6000個邏輯量子位元的大型量子電腦破解。

綜觀而言,傳統生化、材料或藥物開發面臨的大量運算時間成本問題,未來都將可被量子電腦解決,如過去70個原子的分子建模,傳統電腦需要長達130億年才能達成,而量子電腦在幾分鐘內即可完成模擬。但同時量子運算也將使傳統加密方法面臨風險,未來傳統電腦若無防範恐將被超快的量子運算破解敏感性資料。

傳統電腦以一系列的位元儲存資訊(位元為資訊單位最小值,0或1),但新世代的量子電腦是以量子位元(qubit)來儲存資訊。量子位元的值可以是 0、1,或2種狀態的混合(此技術稱作「疊加」)。事實上,量子位元的值是不確定的,它不像古典位元始終是0或1。

量子電腦
圖/ 數位時代

宇宙級算力,疊加特性是0也是1

量子位元的疊加和糾纏特性,使得量子位元可以不像傳統電腦位元只能為0或1,而是能夠同時為0和1,因此量子電腦可同時保存多個狀態或版本的資訊,使它得以進行大量資料的平行運算,處理速度比普通電腦快得多。

例如4位元組合數字問題,量子運算可以在4次運算後直接得到16種可能情形中的解答,在1,000次運算後即可找出20位元組合,100萬個可能的其中一組特定數字,運算次數只需要可能情形總數的平方根,其指數型的運算速度大大超越傳統超級電腦。

而為了使量子位元能被運用,量子必須達到量子疊加狀態(quantum superposition)和量子糾纏(quantum entanglement)2種物理狀態,且2個量子間須形成聯結,使得2個量子即使不處於同一個空間,卻仍可即時互相影響。量子可以是電子、離子或光子,只要能達到疊加和糾纏狀態就可做為量子位元。

以電子量子為例,電子自旋向下時能量最低,接著可利用特定頻率的微波脈衝加熱電子,使電子獲得能量後自旋向上,將量子置於矽晶體電極中,就可以量測到電流而獲知量子的狀態。

以雷射產生大量光子為例,當光子通過非線性晶體時,偶爾會產生成對光子,由於產生的光子極性相反,光子的相位一個若為垂直,另一個就必為水平,此時這對光子的狀態即為量子糾纏。而量子位元的讀寫則可透過微波、磁脈衝或雷射來達成。

量子電腦
圖/ 數位時代

錢潮伴風險,傳統加密首當其衝

目前主流5種量子硬體技術有半導體矽自旋量子、離子阱、超導、光量子和拓樸等。其中以半導體矽技術為基礎而發展的量子電腦可用標準CMOS產線相似製程。

2023年英特爾(Intel)發表名為「Tunnel Falls」(下圖)的12-qubit量子晶片。能準確控制2個電子之間量子行為,且錯誤率極低。電子量子態穩定度達99%,除了具可擴充性,錯誤率未來還可望再下降。

量子演算法能快速解決多自由度,龐大的線性代數問題,而機器學習(ML)正好大量倚重大量線性代數運算,因此量子演算法和機器學習結合應用在交通、醫學和金融等市場也吸引許多創投資金。

預期最快2到5年內,量子運算便會最佳化、密碼學和材料科學等。但量子運算也將使當前傳統的加密方法面臨風險、古典電腦若無防範恐將被超快的量子運算破解敏感性資料。

責任編輯:蘇柔瑋

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直播霸主圓剛科技以全方位產品,化身創作者的「解憂雜貨店」
直播霸主圓剛科技以全方位產品,化身創作者的「解憂雜貨店」

當觀看與被觀看成為當代人的日常時,直播早已褪去昔日單純的娛樂外衣,從 Twitch 上挑燈夜戰的電競實況、YouTube 的第一手開箱、TikTok 與 Instagram 隨手刷過的短影音,到現今風靡全球的電商帶貨——直播不僅重塑了人們的視覺感受,更淬鍊出一條成熟蓬勃的商業路徑。

「現在是全民直播的時代!」台灣直播設備龍頭圓剛科技全球品牌行銷處處長蔡柏輝說。在台灣影像擷取盒、擷取卡市場,搶下超過 90% 市占的圓剛,是眾多螢幕後,撐起無數流暢畫面的關鍵推手,就連在日本、韓國也有很高市占率,不論是剛敲開創作大門的新手,或是專業級的直播團隊,圓剛以全方位產品線,滿足不同創作者對影音設備的需求。

MIT 高品質研發,提供創作者直播台上的安心感

從電視盒起家的圓剛,始終專精「訊號轉換與整合」技術,早在 15 年前,便踏入直播市場,靠著百分百 MIT 研發高品質,拿下龍頭地位。在占有率幾乎觸及市場天花板之際,「我們現在追求的,是拓展更多不同領域的使用者,以及深入更多不同的直播場景。」

這些年,圓剛觀察到直播趨勢轉變。蔡柏輝打趣道,早期的遊戲直播多半是「一個人在昏暗房間裡默默開台」;時至今日,這股風潮早已跨出房門,延伸至客廳、戶外,成為大眾都能參與的影音浪潮。承載內容的平台也從桌上型電腦,擴展至遊戲掌機、家用遊戲機和智慧型手機,直播型態與使用者需求也開始走向分眾。

蔡柏輝觀察,對剛踏入直播領域的新手來說,最大的心理障礙往往來自對設備不確定性的恐懼,「最怕開播時,觀眾聽不到聲音或畫面卡頓。我們想給創作者的是,『三分鐘輕鬆搞定』的從容與信任感。」

而對頂尖實況主與專業直播團隊來說,設備則是不能有絲毫閃失的「生財利器」。專業直播主高度追求流暢幀率與畫質細節,唯有極致的視覺體驗,才能吸引觀眾留存並化為實質贊助與互動。更重要的是,長達數小時的高強度直播,不能出現黑屏或無預警斷線,一旦畫面中斷,累積的流量和觀眾也瞬間消失。

針對不同成長階段的直播主,圓剛提供從 1080p 到 4K144 的擷取盒畫質,滿足從入門到細緻畫質的需求,高規格的產品穩定度,確保長時間直播不黑屏卡頓,許多產品更提供長達「3+2」5 年保固,「我們敢喊5年,就是對自己的產品很有信心!」這正是圓剛高品質與高穩定的最好證明,「我們賣的不是冷冰冰的產品規格,而是創作者的夢想與直播台上的安心感。」

從規格堆疊走向場景拆解,滿足不同直播應用

「圓剛這幾年做的不是一直堆疊規格,而是場景拆解。」嗅到行動世代對攜帶性與靈活度的渴望,圓剛特別打造「GO 系列」產品線( GC313Pro、GC313 ),高度整合多元功能,身兼 USB-C 影像擷取/傳輸、螢幕跨屏輸出和 100W 快充技術,把繁複線材與驅動程式全都收納進一個掌心大小的充電頭裡,極致輕巧方便攜帶。

圓剛「GO 系列」GC313Pro 高度整合多元功能,身兼影像擷取/傳輸、螢幕跨屏輸出和 100W 快充技術
圓剛「GO 系列」GC313Pro 高度整合多元功能,身兼影像擷取/傳輸、螢幕跨屏輸出和 100W 快充技術,滿足電力與資料傳輸需求的全方位解決方案。
圖/ 數位時代

蔡柏輝分享,創作者在直播 Switch 或手機遊戲畫面時,最怕連接埠占滿而電量枯竭,「GO 系列」讓使用者能「邊直播邊充電」,解決使用痛點,還有很多靈活應用,像是在國外旅遊時,可將手機螢幕投放至飯店電視,直接用大螢幕觀看 Netflix,避免在其他裝置登入 Netflix 個人帳密的風險,「不只滿足直播需求,也能充電、小螢幕轉大螢幕,拓展更多使用情境。」

為了解決直播設備軟硬體複雜的相容性問題,圓剛也不斷擴充產品線,蔡柏輝笑說,「我們稱作『直播三寶』!」在影像擷取外,還提供各種規格的視訊鏡頭與高音質麥克風,其中,台灣市場熱銷產品之一的 AM310G2 麥克風,以高性價比廣受歡迎,首代產品全球累計銷量突破10萬支,第二代也延續市場熱銷氣勢,透過麥克風輕鬆連接手機,從直播到行動唱歌都能滿足。相比創作者過去必須東拼西湊不同品牌、解決多個軟體衝突問題,圓剛透過三位一體的完整配置,成了台灣極少數能提供一站式直播生態系的品牌。

有了高品質硬體後,圓剛又以自主研發的直播軟體平台「直播大師 Streaming Center」,協助使用者軟硬整合,省去安裝繁瑣的驅動程式,透過直覺易上手的介面,連接上直播設備後,便會自動完成基礎設置,同時只要一個按鈕就能一鍵切換鏡頭特寫、AI自動降噪去背景雜音、甚至微調人像膚色,蔡柏輝比喻,「直播大師就是創作者的個人導播。」透過軟體輕量化與一站式整合,圓剛也把電腦寶貴的運算效能,最大化發揮在遊戲和直播上。

布局全球電商與商業活動直播,讓直播體驗深入各行各業

面對近年興起的電商直播帶貨,圓剛也積極佈局。蔡柏輝指出,與其他直播領域相比,電商直播更在意能否精準還原色彩、細節和清晰畫質,因為這不只攸關畫面表現,更是決定成交與否的關鍵,「電商最怕退貨,如果消費者收到的實品跟鏡頭前不一樣,對品牌信任度也會瞬間瓦解。」

圓剛的高階擷取卡支援 RGB24 無損色彩還原,能將商品最真實的細緻色彩忠實呈現;針對動輒數小時的直播馬拉松,也打造高效散熱機制,確保賣家可長時間穩定使用,甚至還能延伸至醫療與科研診斷領域,像是當醫生透過畫面看病理切片時,同樣提供毫釐不差的精準度。針對電商帶貨直播發展火熱的亞洲市場,圓剛也推出旗艦級擷取卡產品,支援多機位擷取、橫豎屏同步直播,並輸出至多個直播平台,同時又兼具高性價比。

在消費市場扎穩根基後,圓剛也正將產品優勢一步步延伸至企業與商業直播領域,像是企業透過直播宣傳產品,或是各式活動現場直播,如演講、論壇甚至畢業典禮,透過提供適切的軟硬體解決方案,展現跨越多元情境的影音實力,讓高品質的直播體驗深入各行各業。

「我希望圓剛可以成為創作者的解憂雜貨店!」蔡柏輝指出,從個人到商用,從單人到團隊,從遊戲直播到企業直播,圓剛都能滿足不同需求,解決各種疑難雜症,甚至針對還未開始直播事業的人,也能提供硬體搭配建議,「創作者只要負責發光發熱,剩下 99% 的繁雜技術,圓剛在背後全幫你簡單搞定!」從敲開創作大門的第一張擷取卡,到支撐商業王國的直播系統,未來圓剛將以全方位的影音設備,持續陪伴創作者在影音時代中綻放耀眼光芒。

圓剛科技全球品牌行銷處處長 蔡柏輝
圓剛科技全球品牌行銷處處長 蔡柏輝
圖/ 數位時代

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