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2025/01/26 10:24:30瀏覽205|回應0|推薦3 | |
2018/04/27 文/林明宜 │ 國家實驗研究院科技政策與資訊中心助理研究員 量子電腦挾著其強大運算速度和能力的潛能,使得全球科學界和產業界(Google, IBM, Microsoft, Intel 等)競相投入。雖然目前仍在理論實踐和可操作原型發展階段,近年的技術突破似乎使得每年都「即將成功」的量子電腦真正更接近商業化應用。在今日知識經濟和全球化競爭的時代,運算能力即是國家和企業的競爭力,因此量子電腦在近年頻頻被各國視為重點發展技術,許多科技趨勢報告也將其列為年度突破。國研院科政中心之前已經對各國的量子技術發展策略和台灣的研發現況撰寫專文討論(編按:參見英國量子技術發展戰略、第二次量子革命啟動)。本文將更新近期技術發展趨勢和討論量子電腦未來對社會可能造成的衝擊。 什麼是「量子運算」?從基本原理談起 量子位元(qubit)是量子電腦最基本的運算單元,為了使量子位元能夠被運用,量子必須達到量子疊加(quantum superposition)和量子糾纏狀態(quantum entanglement):即單一量子須同時處於兩種物理狀態,且兩個量子間需形成聯結,使得兩個量子即使不處於同一個空間,卻可以即時互相影響,才能做為量子運算基本單元。量子可以是電子、離子或光子,只要能夠達到疊加和糾纏狀態就可以做為量子位元,量子位元的讀寫可透過微波、磁脈衝或雷射。目前主流的五種量子運算方式有矽自旋量子、離子阱、超導迴路、鑽石空位和拓樸量子。 量子疊加可以用丟擲硬幣比喻:硬幣可為頭像(1)或反面(0)就如同傳統的位元,將硬幣擲到空中轉動時,硬幣不停在頭像和反面轉換,在空中旋轉時就像是同時為 1 和 0,只有真正落下後才知道最後落在那一面。以電子做為量子為例,電子自旋向下時能量最低為 0,可利用特定頻率的微波脈衝加熱電子,使電子獲得能量後自旋向上,寫為 1,若將量子置於矽晶體電極中,就可以量測到電流獲知量子的狀態。 那麼又如何達成量子糾纏狀態?若以光子為例,科學家可以用雷射產生大量光子射入兩層超薄,相性相反的非線性晶體,當光子通過非線性晶體時,偶爾會產生成對的光子,由於兩層晶體相位相反,產生的光子極性相反,可能為垂直或是水平,又因為晶體極薄,光子的相位是垂直或水平,只有在量測時可以得知,而且這對光子的相位一個若為垂直,另一個就必為水平,反之亦然,此時這對光子的狀態就稱為量子糾纏狀態。由於量子位元的疊加和糾纏特性,使得量子位元可以不像傳統電腦位元只能為 0 或 1,而是能夠同時為 0 和 1,此特性使量子位元的運算能力增加,量子電腦得以進行大量資料的平行運算。 量子電腦為何比傳統電腦強大? 如前所述,量子電腦不像傳統電腦,運算步驟被位元數限制。如果想找出 4 位元(可為 0 或 1)組合中某一組數字,傳統電腦最多需要嘗試到 16 次,平均需要嘗試 8 次;如果想找出 20 位元組合的其中一組數字,最多需要嘗試到約一百萬次運算步驟。由此可知傳統電腦在解決這類問題時,嘗試的次數和所欲搜尋的數字可能組數呈線性關係,當所運算的可能性呈指數成長時,即使是超級電腦,所需要的運算時間將長到無法實際用來解決問題。量子運算由於其特殊的量子特性,在上述的 4 位元組合數字問題,量子運算可以在 4 次運算後直接得到 16 種可能情形中的解答,在 1000 次運算後即可找出 20 位元組合,一百萬個可能的其中一組特定數字,運算次數只需可能情形總數的平方根,滿足指數型的複雜運算需求。 要發展量子運算,還有哪些技術挑戰? 一.穩定量子態的維持 細緻的量子態十分容易受到振動或電磁場,甚至一般熱擾動的干擾,所以現在的量子電腦需要在接近絕對零度的超低溫度操作。目前主要的技術瓶頸除了增加量子位元數之外,就是如何維持穩定量子態,使量子維持在某個量子態時間(相干時間,coherence time)夠長,足以完成運算工作並增加運算正確率。其中微軟的研究團隊正嘗試操縱 2012 年才被發現的「準粒子」,用編辮子糾結方式,使量子位元可以抵抗外界干擾,讓量子位元和繩結一樣穩定,如此一來,量子電腦的運算能力就不用再被大量浪費在更正錯誤上。 |
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