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量子電腦是什麼?

  量子電腦從1969年最早提出「基於量子力學的計算裝置」,從理論上可行到2011年提出「量子霸權」概念,近年各國爭相發展。不過量子電腦是什麼?它目前的困難在哪哩?趕快來了解吧!

  現在通用型電腦架構的設計一直以1945 年提出的「馮紐曼型架構」為主流,也確立了電腦運算採二進位制。當使用電腦處理量子問題時,現行電腦架構面臨資料過於龐大且處理時間近乎天文數字,理察.費曼當時就想到:如果用量子系統所構成的電腦來處理量子現象,可大幅度減少處理時間,量子電腦的概念就從而誕生了。因此可以說研究量子電腦最初很重要的一個出發點是探索通用電腦的計算極限。

  通用電腦的運算靠控制積體電路0/1,而量子電腦的運算靠控制原子、分子的量子態;這關鍵性的差異,使量子電腦能在某些運算上展現強大的運算能力。在不理解量子是什麼的情形下,剛剛這段話可能等於什麼都沒說,對吧?那我們就來談談什麼是量子。別緊張,費曼曾說:「我想我可以肯定的告訴大家:沒有人真正了解量子力學」,所以我們只需要知道影響量子電腦技術發展的幾個量子特性就好了。

量子的特性

機率特性

  在愛因斯坦與波耳的世紀之爭後,量子不確定性目前被接受成為量子力學的一個特性,量子的狀態本質上就有一定的機率概念在裡面。量子力學主要描寫微觀的事物(例如:基本粒子),並嘗試解釋物質結構及其交互作用,量子系統在任意時刻的狀態就稱為「量子態」。不同於單純0/1,量子態以向量——大小和方向的量來描述,向量疊加因為多了方向的元素,因此能承載的資訊遠大於現行二進位制,但是隨之而來的問題是疊加態的高度複雜性與不確定性如何被正確探測。

圖片來源: pixabay圖片來源: pixabay

矩陣特性

  機率矩陣是在處理複雜問題時的一個數學方法,為了適應量子力學的複雜性,我們使用矩陣來描述量子態。對某一量子態進行一個轉換時,可以當成是一個轉換矩陣作用在量子態的矩陣上,因此控制轉換量子態的電路基本上是被設計成矩陣作用,量子態能夠以直接的方式表現轉換的結果。

量子電腦目前的困難

熱擾動

  由於量子力學主要描寫微觀的事物,因此觀測量子態有很大的難度,包括不確定性與極短的穩定時間,意思是量子電腦可能會產生相當程度的錯誤率,因此只能在超低溫下使用,這些都是量子電腦在未來需要克服的技術壁壘。也因此我們在談量子電腦的時候,對於其錯誤率必須加以重視。我們可能無法打造100%正確運算的量子電腦,但是多少程度的錯誤率是可以被接受的呢?這部分視處理的問題與重複計算的次數,很難給出一個標準答案,但是儘可能有效率的降低是目前的重點之一。

  2011年提出「量子霸權」概念是以50量子位元定義,就是因為以目前的電腦運算或是儲存能力,已經無法模擬量子電腦的結果,意味著量子電腦如果出錯,目前世上也不會有人知道。同時就像我們現在使用的電腦一樣,硬體上計算與儲存技術是彼此互相影響的,因此在發展量子計算時,量子儲存的技術也必須一併發展,因為在50量子位元以上的運算能力下,未來也只有仰賴量子電腦的重複運算可以檢查量子電腦的計算結果。

  IBM於2017年率先宣布達到此目標,google與NASA聯手打造D-Wave於2018年3月發表72量子位元處理器,IBM緊接著於2019年宣布20量子位元的商用型原型機,顯然在克服量子電腦的錯誤率之前,無止境的提高量子位元並不是現階段最重要的挑戰。

  另一方面,能夠展現量子電腦強項的問題目前普遍認為是在解決某些特殊問題上,通常是以平行運算而能縮短計算時間這一類的問題為主,目前經常被舉的例子就是通訊加密的問題,現行非對稱加密的方式中,有一些主要是仰賴質因數分解的困難性,這個問題就非常適合量子計算。如果可以想像量子的矩陣特性,您可能已經立刻想到,處理矩陣運算就是量子電腦相較於現在電腦的強項,量子電腦實現了更加直接的矩陣平行運算。但是並不是所有的問題,量子電腦都可以大幅縮短時間,我們可以說在現階段量子電腦發展的重點是處理目前電腦無法處理的問題,而非取代現在的電腦。