「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。
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)