【科技‧未來】科網巨企之爭 為何執着量子位元和霸權？
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。
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。
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。」
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。
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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