【科技.未來】量子電腦在「平行世界」極速運算

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加拿大量子計算研發公司D-Wave System的聯合創辦人兼首席科學家Eric Ladizinsky曾描述過這麼一個情景,解釋「量子電腦」(quantum computer)如何運作:在美國國會圖書館裏隨意拿出一本書,在其中一頁打上X標誌再放回去,然後讓人在五分鐘內將它找出來。(溫馨提示:美國國會圖書館的藏書量逾3,900萬冊。)

乍聽之下,這幾乎是個不可能的任務!然而,Ladizinsky讓我們想像:有5,000萬個「我」處於不同的平行世界,他們在這五分鐘內分頭行動去尋找那本被畫上記號的書。當預定時間一到,其他平行世界瞬間消失,唯一留下的,是找到那本書的「我」。

Ladizinsky說的並非天方夜譚,這個甚具科幻色彩的隱喻恰如其分地說明了量子電腦有別於傳統電腦的地方。自量子電腦的概念於上世紀八十年代被提出來,歷經近四十年,量子電腦終於從理論走進了現實。

美國國會圖書館坐落於國會山莊,是目前世界上最大的圖書館。(資料圖片/視覺中國)

1981年,科學怪傑、諾貝爾物理學獎得主Richard P. Feynman提出,傳統電腦與量子系統遵循不同的物理規律,故採用傳統電腦不可能有效模擬量子系統的演化,而量子電腦則可以精確而方便地實現這種模擬。四年過後,牛津大學物理學家David Deutsch在一篇論文裏給出了量子計算的抽象模型。然而,僅有設備而無演算法(algorithm)支持的量子電腦,亦無法發揮量子優勢(quantum advantage)。

衝擊現有加密技術

1994年,貝爾實驗室(Bell Labs)的數學家Peter Shor在論文中展示了他的量子演算法,該演算法分解大數值質因數的速度遠超傳統電腦所使用的演算法。電子商業中廣泛使用的RSA加密技術,所依賴的是質因數分解的難度,能快速分解質因數意味着能快速破解RSA。Shor的演算法表明,傳統電腦約需耗費一千萬年分解一個千位的數字,而量子電腦只需約20分鐘,這對密碼體系的衝擊是顯而易見的。Shor的演算法迅速引起計算和物理學界的廣泛興趣,美國政府和美國太空總署(NASA)也開始投入這一領域的研發。

量子計算融合了二十世紀兩個偉大的科學革命:計算機科學和量子物理學。電晶體(transistor)和鐳射(laser)等技術便是以量子物理學為理論基礎,前者推動了計算機科學的更新換代。過去半世紀,半導體電路小型化的快速發展使得傳統電腦的性能不斷提升,但業界認為,當電晶體的尺寸縮小至1納米時,由於矽材料的物理限制,「摩爾定律」(Moore’s law)會走到尾聲。「過去,我們一直遵循着摩爾定律式的軌道前行,但一旦量子在每個科學領域實現出難以想像的運算能力,我們可能就要和這個階段告別了。」 Ladizinsky說。

上世紀六十年代,英特爾(Intel)公司共同創辦人摩爾(Gordon Moore)在半導體產業剛起步時提出了一個論斷:隨着生產技術進步,電路板上可容納的電晶體數目每隔約兩年便會增加一倍。儘管這一論斷只屬經驗觀察,但資訊科技界把這尊稱為摩爾定律。及後,由於業界持續突破創新,電晶體愈變愈小,摩爾定律被修正為電晶體數目,每隔一年半便會增加一倍。

2014年,Eric Ladizinsky在《連線》(wired)月刊雜誌發表演說,認為量子電腦將為人類文明帶來新一輪的革命性突破。(Michael Newington Gray攝, Wired)

有別於一般電腦採用的二進制(0或1),量子電腦的「量子位元」(qubit)可以表示0、1或者這兩個狀態的任意疊加(superposition)。當兩個分別處於疊加態的位元相互纏結,操作其中一個位元,另一個位元就會發生即時反應,這就是所謂的「量子糾纏」(entanglement)。正是疊加和糾纏兩個效應,令量子電腦的演算法能夠遠勝於傳統電腦﹐因為傳統電腦的一個操作,對應一個確定的路徑;量子電腦的一個操作,可以沿着多個計算路徑進行,而最終達到的是同一個目標。也因此,傳統電腦的運算能力隨着位元的增加呈線性增長,而每增加一個量子位元,則有可能使量子電腦的運算能力呈指數級上升。

由於量子電腦具備顛覆各行各業的潛在威力,各國的科技巨擘、政府機構紛紛投入研發相關技術。2015年7月,阿里巴巴聯合中科院在上海成立「中國科學院-阿里巴巴量子計算實驗室」,共同開展在量子信息科學領域的前瞻研究。(資料圖片/視覺中國)

近來,傳統電腦與量子電腦的這個分別開始走進大眾視野,就連公務繁忙的加拿大總理杜魯多(Justin Trudeau)也能將其說得頭頭是道。2016年4月,杜魯多出席普里美特理論物理研究所(Perimeter Institute for Theoretical Physics)的活動,宣布政府資助5,000萬加元(約3.03億港元)予該研究所有關量子電腦的物理研究。席間,一名記者似有意刁難杜魯多,想讓他解釋量子電腦的運作過程。眾目睽睽之下,杜魯多簡明且準確地解釋了量子電腦的特別之處:「普通電腦運作僅視乎是否有電流通過電線,要麼是0,要麼是1,是二進制系統。量子狀態則更為複雜,因為我們知道物質可以同時是波(wave)和粒子(particle)。量子狀態之間不確定的特性,可讓我們將更多資訊在更小型的電腦內編成代碼。」杜魯多一語中的的回答引來了全場熱烈的掌聲,相關視頻更是在網上廣泛傳播,有網民甚至高呼:「我愛杜魯多,我想當加拿大人。」

事實上,加拿大對量子電腦的關注也是早着先機,Ladizinsky所屬的量子計算公司D-Wave System便坐落於卑詩省。這家創辦於1999年的加拿大公司堪稱量子計算界的「帶頭大哥」,公司成立的頭五年都在做研究和專利佈局,2004年才組建科學家和工程師團隊,開始設計、製造和測試處理器與量子計算系統。2007年2月,D-Wave宣布研製出「全球首台商用量子電腦」,並於2月13日和2月15日分別在美國的矽谷和加拿大溫哥華展出。

D-Wave的首次登場便在量子電腦界攪動了一池春水,歡呼讚賞者有之,批評痛斥者有之。究竟D-Wave是否真如其所說,研製出了全球首台可以「商用的」量子電腦呢?其他科技巨擘又有怎樣的發展路徑?請詳見另文《另類玩家殺出 量子計算還有幾遠?》

上文節錄自第149期《香港01》周報(2019年2月11日)《從理論走進現實 量子電腦:在「平行世界」極速運算》。

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