下个世代运算工具,揭开量子电脑神秘面纱

作者 | 发布日期 2018 年 05 月 15 日 7:30 | 分类 尖端科技 , 计算机 , 软件、系统
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2016 年 4 月,当时上任不到一年的加拿大总理杜鲁多(Justin Trudeau),在一个公开场合以 35 秒解释什么是量子电脑,影片在网络上被大量转贴、讨论;隔年 3 月《经济学人》杂志就以「量子跃迁(Quantum Leap)」为主题,介绍了量子技术的展望,让量子电脑跃上大众视野。



微软CEO萨蒂亚·纳德拉(Satya Nadella),也曾将人工智能(AI)、混合实境(MR)、量子电脑,并列为重塑未来世界的 3 种开创性技术,Google、IBM、Intel、微软,以及许多研究人员近来也都以打造可以商业使用的量子电脑为目标,虽然这项颠覆以往思维的运算技术仍只是在起点,但你我都应该从现在开始认识量子电脑,了解这项科技将在未来扮演关键角色。

运算速度更强大,拆解量子电脑背后原理

量子电脑的概念,来自 1982 年物理学家理察‧费曼(Richard Feynman)将量子体系用于运算的想法,不过在那个年代都仅止于理论推导,但却也是翻转现代电脑科学重要的关键点,简单来说,量子电脑的运算速度可以超越现在生活中,你我使用的传统电脑,以更快的速度解决生活中的各项难题。

一般电脑(包括台式机、笔电、平板、智能手机)都采用二进位制的计算单位「位(bit)」,意思是 0 与 1 的二分法,一次只会出现 0 或是 1 单一种状态,也就是「yes / no」形式;量子电脑则采用「量子位(qubit)」,这种计算方式有「叠加(superposition)」特性,可以同时出现 0 与 1,产生 00、01、10、11 的叠加状态,也就是「yes / no / both」形式。

《华尔街日报》曾比喻,如果传统位是静止的硬币,一次只能出现正面或反面,量子位就像旋转中的硬币,正反两面都可以同时出现;或者也可以将传统电脑想像成单一种乐器,量子电脑就像是众多乐器组成的交响乐团,能够一次同时演奏不同的段落。

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▲ 量子电脑就像是众多乐器组成的交响乐团,能够一次同时演奏不同的段落。(Source:pixabay

量子电脑之所以被称为「下个世代的运算工具」,是因为可以在多管齐下、同步测试各种可能找出答案,透过量子电脑,可以帮助人类在短时间内完成一般电脑需要花上数十年才能解决的问题。

之所以能拥有这么快的运算速度,靠的是量子叠加(superposition)、量子缠结(entanglement)这两大量子特性。

量子叠加指的是每单位可以 0 或 1、0 与 1 相互叠加,形成 00、01、10、11 四种组合;量子缠结则是指量子位可以分组聚合、一次同步计算各种可能性,也因为如此,运算能力才能大幅提升。

目前面临的技术困境?

稳定性不足

量子电脑这项科技已经真实存在,但要能实际在商业上应用,仍有许多困难需要克服,目前量子电脑的稳定性不够,容易受到热能、电磁辐射等外在环境干扰,必须将处理器存放在绝对零度(零下273摄氏温度)的环境中,才能让人类与量子电脑一起工作,目前为止因为打造这样的环境条件仍需要相当困难的技术,也导致量子电脑发展速度受到限制。

错误率有待降低

此外,要达到商业化的目标,处理器要达到50量子位(qubit)、双量子位错误率低于 0.5% 的标准,才能符合「量子霸权」(quantum supremacy)定义,Google 在今年 3 月推出 72 量子位处理器「Bristlecone」,虽然已达到标准,但目前错误率的稳定仍是一大关键。

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▲ 为了避免热能、电磁辐射等外在环境干扰,必须将处理器存放在绝对零度(零下 273 摄氏温度)的环境中。(Source:Intel

开发量子软件

最后,量子电脑要能真正发挥作用,同步开发量子软件也很关键,高度的运算复杂度,使得开发人员必须具备一定程度的物理、数学、软件工程知识,但由于初期研发出的量子电脑硬件规格不一致,所以软件大多必须客制化。

量子电脑预计在 10 年内就能从实验室迈向商用,为人类生活带来天翻地覆冲击,在未来世界中,谁能掌握量子电脑技术,就拥有优势制霸权,也因此各家科技大厂、各国政府无不积极迎战,就像前微软首席研发策略长克瑞格·蒙迪(Craig Mundie)说的:「这是 70 年来,我们第一次建构一个完全不同的运算系统,这并非升级或改进,而是一个完全不同性质的新事物。」

(本文由 数码时代 授权转载;首图来源:Flickr/Ian Hughes CC BY 2.0)

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