「中央研究院講座」於 2023 年 4 月邀請美國加州大學聖塔芭芭拉分校（University of California, Santa Barbara）的約翰．馬汀尼斯教授（John Martinis）至本院演講。馬汀尼斯教授主要研究超導量子元件，並在 2019 年帶領 Google 團隊，實現世界上第一次的量子優越性（Quantum advantages，亦稱「量子霸權 Quantum supremacy」）實驗。其團隊發展出新的演算法，相較使用古典電腦的演算時間能顯著地加快運算的結果，立下量子電腦運算的重要里程碑。
▲美國加州大學聖塔芭芭拉分校約翰．馬汀尼斯教授至本院演講
回過頭來看，計算器從早期的算盤開始，經機械式、真空管到當今的積體電路，其計算能力已有大幅進步。撇開不同計算載體而言，計算原則依舊照著國小時期所學的加減乘除，從基本運算規則與邏輯出發，堆疊出的計算程式造就了如今的資訊爆發時代。近年來，人們應用量子力學，開啟了新一輪計算大賽，正悄悄的在全世界的科學研究團隊與科技公司間進行著。
我們是否能利用量子力學中的特性，大幅縮短特定問題計算的所需時間，甚至達成目前古典電腦在短時間內無法完成的計算任務？首先，需要了解究竟什麼是量子電腦？和古典電腦差異在哪？
古典電腦採用位元（bit）記錄與操作資訊，相較於日常使用的十進位，只用二進位 0 與 1 的表示法，在物理系統中容易紀錄與計算。實際操作時，如中央處理器的高低電位，或硬碟當中的磁力方向等等的方式。從簡單的 1+1=2，到各種電子遊戲中的精彩畫面，皆是由 0 與 1 編譯而成。
另一方面，量子電腦則使用量子位元（qubit）攜帶資訊，量子位元可以處在 0 與 1 的非古典疊加狀態，亦稱量子疊加（Quantum superposition），表示在測量前同時存在 0 與 1 的狀態，類似於硬幣同時存在著 0 與 1。同理可推，兩個量子位元，可以處在四種基本狀態（00、 01、 10、 11）的疊加，如果有 53 顆，則可以處在 2^53 個基本狀態的疊加。量子計算的優勢在於可以同時處理所有的疊加態，因而大幅提升運作的資訊量。
在古典電腦中，一個步驟只能修改系統的一個狀態，但在量子電腦中，存在著兩個量子位元 A、 B 之間量子糾纏（Quantum entanglement）的特性，換言之，位元 B 的狀態可以依據位元Ａ之狀態做有條件的改變。前面提及的疊加態又可與更多量子位元產生糾纏，提供量子平行性的機制。可以說量子算法優於古典算法的特性便是利用糾纏與疊加，加速運行過程，其運算思維與古典算法完全不同。
馬汀尼斯教授的演講也提及，目前的量子系統技術上以超導電路、離子、光子、電子等量子系統為主，大部分的技術皆已證明可以產生量子疊加與量子糾纏。而目前的超導電路系統，已達到一百多顆量子位元的階段，而量子計算領域期望能在幾年內成熟用於中度規模「量子雜訊世代（NISQ era, Noisy Intermediate Scale Quantum era）」的計算應用，例如：金融上做金融投資組合選擇最佳化，簡單的化合物或藥物合成模擬或計算。但量子位元以目前的製造工藝，仍舊會在計算過程中產生錯誤，因而需要用多個量子位元來協助糾錯。
以目前量子晶片製程與量測技術（錯誤率接近千分之一），如果要達成量子糾錯（Quantum Error Correction），需要用至少 1,000 個物理量子位元來組成一個邏輯量子位元（logical qubit）。若到達了有多個邏輯量子位元的階段，可更廣泛應用於各種領域包含量子密碼學、藥物與化學研發、金融投資組合模擬等。
而前述提到 Google 的量子優越性（量子霸權）實驗，使用 53 位元的 Sycamore 的量子晶片執行多個量子位元的隨機量子電路，就像雷射打在玻璃上由於散射造成的光斑，仔細看有部分較為黯淡有些則較為明亮，如同一連串的隨機電路運算結果並進行多次量測後，統計量測結果會有一定的機率分布。為了證明量子優越性，Google 使用橡樹嶺美國國家實驗室（Oak Ridge National Laboratory）的「高峰超級電腦 Summit supercomputer」做量子電路模擬作對比，使用量子電腦計算所需 200 秒，而超級電腦則需要約 10,000 年。雖然隨後 IBM 聲明，用其古典電腦可以在 2.5 天中完成其演算，但此結果對整個量子計算領域而言，仍舊是證明了量子計算的可行性與未來發展性。
馬汀尼斯教授指出，若是要達成一個大型的工程任務，不能只單靠科學探索的方式解決問題，而是要利用系統工程（System engineering）方法達成任務目標。舉例來說，將量子系統開放給全世界使用者，並收集使用資料來確認系統的可靠性。緊接著從收集回報的錯誤資料之中改善系統，就是一種利用系統工程的方式去做測試與調校。此外，由於量子電腦需要整合多方的技術，從量子晶片製造，訊號量測系統的建立與校正，甚至到後端軟體整合，都需要大量的專業技術人力投入，使量子計算系統建造難度不亞於任何的新技術科技。
馬汀尼斯教授也提到個有趣概念：量子電腦的「技術完備度（Technology Readiness Level, TRL）」。TRL 係用來衡量一個技術發展的成熟指標，從 1（發現到其基本原理）至 9（經由測試後可順利操作之系統）。而目前量子電腦約略在 5，表示有原型（prototype）展示使用量子電腦作為計算的可行性，但尚不足以解決實際上傳統電腦無法解決的實際問題。
量子電腦在許多應用層面上皆有加速運算的潛力，也因此除了私人企業的投注外，各國政府也相繼投入龐大資金進入研發，期待能早日建立起一台能解決實際問題的量子電腦。
參考資料
1.「量子電腦與量子霸權」，Dr. John Martinis，2023 年中央研究院講座
2.「My trek from fundamental to industrial research: quantum systems engineering」，Dr. John Martinis，2023 年中研院物理所通俗演講
3. Demonstrating Quantum Supremacy（Youtube, Google）https://www.youtube.com/watch?v=-ZNEzzDcllU&ab_channel=Google
4.“Quantum Supremacy Using a Programmable Superconducting Processor”, Nature 574, 505–510（2019）