【科技‧未來】科網巨企之爭 為何執着量子位元和霸權?

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Google(谷歌)在3月才藉着發布了72量子位元的處理器「Bristlecone」,接近「量子霸權」地位,但很快就備受挑戰。

中國科技巨頭阿里巴巴本月8日宣布,成功研發出新的量子電路模擬器,可模擬出81量子位元的Google隨機量子電路。

當媒體紛紛追捧之時,在這場量子計算革命中,量子霸權到底是否真的如此重要?

Google本年三月發佈的72量子位元(Qubit)處理器Bristlecone,被視為將接近量子霸權。(Google blog圖片)

幾間科技公司貌似正進行一場量子計算的軍備競賽。在1月的國際消費電子展(CES)上,英特爾(Intel)和IBM分別展示了49和50量子位元的處理器原形,到3月由Google在洛杉磯美國物理學會(APS)年會上,發布了72量子位元的處理器Bristlecone。當時,領導Google團隊的物理學家馬天尼斯(John Martinis)樂觀地認為,雖然團隊需要作更多測試,但本年內甚至幾個月後,新處理器就能達到「量子霸權」(Quantum Supremacy),即是技術發展到一個地步,量子電腦能夠做到即使是最快的傳統電腦也無法運算的工作。

Intel CEO Brian Krzanich帶同49量子位元芯片,亮相CES 2018。(視覺中國圖片)

幾間科技公司貌似正進行一場量子計算的軍備競賽。在1月的國際消費電子展(CES)上,英特爾(Intel)和IBM分別展示了49和50量子位元的處理器原形,到3月由Google在洛杉磯美國物理學會(APS)年會上,發布了72量子位元的處理器Bristlecone。當時,領導Google團隊的物理學家馬天尼斯(John Martinis)樂觀地認為,雖然團隊需要作更多測試,但本年內甚至幾個月後,新處理器就能達到「量子霸權」(Quantum Supremacy),即是技術發展到一個地步,量子電腦能夠做到即使是最快的傳統電腦也無法運算的工作。

阿里巴巴挑戰Google量子霸權

這場霸權之爭最近又因阿里巴巴開發的「太章」而增添變數。本月初阿里巴巴宣布,太章以傳統電腦成功模擬出81量子位元的Google隨機量子電路。這個量子模擬器取名自《淮南子.墜形訓》的「禹乃使太章步自東極至於西極,二億三萬三千五百里七十五步」,以太章徒步測距典故,寓意一種經典方式理解量子運行。

很多人期望Bristlecone這個未來處理器能達至量子霸權,可是,我們的測試結果則顯示,這種熱中可能太過樂觀。
阿里巴巴量子實驗室的美國密歇根大學(University of Michigan)終身教授施堯耘

這次太章的模擬測試結果,回應了Google的量子霸權預言。換言之,Google的量子霸權或須再等一段日子。雖然施堯耘指出,太章的測試把量子霸權的門檻暫時稍為提高,以一種比以往更好的計算分拆方法達至模擬成果,但是,測試報告也承認,長遠而言,量子處理器的潛力,將會擊敗傳統模擬器。

測試結果一出,中國網絡上充斥着「81比特打臉谷歌」、「打破谷歌霸權」之類的報道,彷彿量子位元多寡、打破量子霸權,就是量子電腦的一切。然而,實際上又是如何呢?

量子運算超越0與1

量子電腦之所以能擁有「霸權」,在於量子位元(Qubit)除了可以是傳統電腦位元(Bit)的0或1,還可以同時是0和1,直至我們測量它時才能知道是0還是1。這種稱為疊加(Superposition)的特性,就如擲到半空的硬幣,本身既有頭像(0)和數字(1),但在半空轉動時既是0也是1,到最後落下才知道哪一面朝上。

設想有四個位元,若是傳統位元,就只能是總共16種可能性;若換成量子位元,四個位元就已經同時包含了16種可能狀態。這樣每外加一個量子位元,所包含狀態數目都會呈指數地增加,即五個量子位元就同時包含32個狀態,50個量子位元就已經相當於1.125千兆個傳統位元。

量子位元的另一個特性,就是量子糾纏(Quantum Entanglement)。在這種狀態下,成形連結的兩個量子,即使分隔多遠,其中一個量子也會即時呈現與另一量子相反的狀態,換言之只要測量糾纏狀態下的其中一個量子位元,就自然知道另一量子位元的結果。疊加與糾纏狀態,讓量子位元同時進行多個運算。假設要走出一個複雜的迷宮,傳統電腦只會每次試一條路,但量子電腦可能是同時試幾十、幾百甚至更多條路。

霸權不等於取代

儘管如此,量子電腦只是科學家利用了量子物理一些獨特性質,發展出的運算方法。這種算法最終只是提供了一個很大機會屬於我們想要的結果,換言之,計算存在錯誤率,有需要回頭確認,只是當資料量大或情況複雜時,仍比傳統逐條路試來得有利。假設傳統電腦需要嘗試100萬次,量子算法只需它開方的次數,即1,000次。所以所謂霸權並非代表量子電腦能取代傳統電腦,只是在較為特定的情況下才有明顯優勢。

因此,量子霸權的意義不在於誰的量子位元數比誰多,而是這些算法上的提升可為我們帶來更多什麼樣的應用。暫時比較明朗的應用與化學相關,因為化學反應和物料性質均受原子與分子的互動影響,這種互動正是涉及量子現象機制,量子電腦將比傳統電腦更能模擬及計算這些結構和反應。這將有助於設計和開發更好的太陽能電池、燃料、藥物等,正與IBM合作的德國大型車廠戴姆勒(Daimler),認為未來有望以量子計算改善電動車電池。

量子電腦早於1982年被物理學權威費曼(Richard Feynmann)提出,至今仍未有任何重要計算應用成果。除了上述可能的應用以外,未來在什麼領域能作出頁獻,也是一大問號。對於一些公司正研究量子計算可否用作設計交通路線、建立金融市模型等,微軟(Microsoft)量子計算研究員喬丹(Stephen Jordan)表示,至今電腦科學家仍未證明量子計算在這些領域上有何優勢:「我們將要依靠未來量子設備進行更多實驗,才知道量子演算法的優點為何。」

一眾電腦公司近年競逐「量子霸權」,惟量子計算尚有許多問題。圖為IBM 50量子位元的裝置。(IBM網站圖片)

霸權光環背後 多個技術瓶頸待破

何況在霸權光環背後,量子計算技術仍屬初期,多個局限尚待突破。量子電腦要發揮所長或達至所謂霸權,最理想是所有量子位元都能完美運作,這就必須維持和延長相干時間(Coherence Time),即保持量子系統狀態穩定。事與願違,現時量子狀態極為敏感脆弱,容易受「雜訊」(Noise)影響,例如振動、電磁場、溫度改變等,都會擾亂量子位元狀態,導致運算錯誤。因此現時它們需要妥善隔離,保持溫度接近絕對零度(攝氏負273度)。即使如此,量子態一般只能維持數以微秒計,IBM研究院(IBM Research)正試圖將之延長至毫秒級別。

而且,隨着量子位元數量愈來愈多,要克服的困難也愈來愈大。耶魯大學應用物理教授舒爾哥普夫(Robert Schoelkopf)提醒:「若你有50或100量子位元運作良好,而且完全修正錯誤,你的確可以做到傳統機器無法匹敵的複雜計算。但反過來,量子計算出錯的可能指數也會增多。」馬里蘭大學量子資訊及電腦科學中心(QuICS)總監柴爾斯(Andrew Childs)指出,運算能力耗費於修正這些錯誤而非真正運行演算,也是另一難題:「現時的錯誤率明顯地限制了可進行的計算長度,若要發展為有效應用,我們仍有大量改善空間。」若無法改善眾多問題,單純地再多的量子位元,帶來所謂的霸權也是徒然。

為何執着霸權

基於這些限制,在現時絕大部分的計算工作上,傳統的超級電腦比量子電腦更快、更經濟,以及更方便。英國牛津大學量子科技教授本雅明(Simon Benjamin)比喻,如果將一般計算工作換上量子電腦,就是「租一架巨無霸客機來過馬路」。因此,霸權未必再是適合的說法。他提出「量子獨特性」(Quantum Inimitability)取代量子霸權,更強調量子計算只適用於特定工作。

你很難找到喜歡『量子霸權』這個用語的研究人員。這個詞彙雖然能夠引人注意,但是有點誤導,而已過分吹捧量子電腦的能力。
英國牛津大學量子科技教授本雅明(Simon Benjamin)

甚至,在2011年一次演講中創立這個用語的加州理工學院(CalTech)理論物理學家普雷斯基爾(John Preskill),也開始不說這一套。他在本年1月發表的論文中改稱為「雜訊中間階段量子」(Noisy Intermediate-Scale Quantum) ,量子機器將具備50至數百個量子位元,「雜訊」強調我們無法完美控制這些量子,將會在短期內大大限制量子機器的進展。雖然他仍深信量子電腦將為社會帶來革命性改變,但也坦承這些改變「可能還要幾十年才實現」。

即使當日曾被視為接近量子霸權的Bristlecone,馬天尼斯的團隊也不過在它之上運行一個特別的演算法,只為展示量子機器的能力,而沒有任何實際應用。他也意識到這一點:「當我們達到量子霸權,我們希望能展示到量子機器能做些真正有用的事。」惟現時量子計算行業仍十分早期,複雜量子機器應用軟件的開發人員寥寥可數。由麻省理工(MIT)創立的初創加速器「The Engine」,合夥人斯特蒂文特(Reed Sturtevant)估計,這些開發人員在現時全球不足100人。

種種困難下,量子電腦如何影響我們的生活,到底只是為特定工作而設,還是帶來根本上的變革,仍有待更多解答。在此之前,對於量子位元數字迷戀,以至盲目追捧量子霸權,對於我們理解這個科技所帶來的影響,是毫無助益的。

上文刊載自第112期《香港01》周報(2018年5月28日)《要追求量子霸權嗎?》。

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