量子電腦對未來科技的影響

吳宜庭/東海大學資訊管理學系

「量子電腦」是什麼?

商業周刊其中一篇報導提過,台積電董事長劉德音認為:「若有一天,每個人的口袋都有一台量子電腦,我想TSMC(台積電)一定不會缺席。」,這句話影射了台積電在量子電腦的研發中勢必會佔有一席之地,並且認為量子電腦在未來可能會非常的普及。

在世界上第一部「電腦」是由美國人在1946年所發明的,隨著科技日漸進步,從以往我們所聽到的巨無霸電腦到現在的小型個人電腦,每個時代所演進的技術都是讓人非常驚嘆的。而至目前為止的電腦皆是採用馮紐曼式結構,其中的兩大建構電腦原則[1]

  1. 捨棄了十進制、改以二進制運算和儲存資料。
  2. 要被執行的程式得先放在記憶體中、要執行時再去記憶體中抓出來。

而在馮紐曼式的電腦中,電腦被分為五大單元分別為:「控制單元」、「邏輯運算單元」、「記憶單元」、「輸入單元」(Input)和「輸出單元」(Output)。

而量子電腦卻不是如此,早在1969年量子電腦就已被提出,且由「基於量子力學的計算裝置」延伸而來,量子電腦擁有極快的運算速度,相較於傳統電腦的0與1位元(bit)的儲存, 他可以有0、1或量子疊加為0和1的值,處理更多複雜的訊息。

量子電腦的厲害之處

量子電腦以量子力學的疊加狀態及非局域糾纏為基礎,創造出一種處理資訊的全新觀點。量子電腦的特色即為:

  • 量子疊加(quantum superposition):有別於傳統物理態在某一特定時間上只具有一特定的狀態,量子態可以同時具有不同狀態。[2]
  • 量子糾纏(quantum entanglement):當多個量子系統進行交互作用,量子系統間可以進一步產生奇異的關連特性。[3]

而在量子計算中的最小儲存單位為量子位元(qubits),在計算能力上以「摩爾定律」(Moore’s law)為例,積體電路上容納的電晶體數量,每隔兩年便會增長一倍,而量子的糾纏特性使量子電腦的計算能力以「雙指數成長」,即為Google量子人工智慧實驗室主任 Hartmut Neven 所提出的,又稱為「Neven Law」。[4]

量子電腦的應用領域非常的廣泛,從物理、化學、材料科學、人工智慧、金融科技等等,目前皆有各個專家在進行研究,微軟CEO 納德拉曾提及:「量子運算的潛能在於原本需要花上好幾個世代才能處理的問題,在數小時或幾天內就能解決,比方說人工智慧、潔淨能源、全球暖化等。但是量子運算難題仍多,電腦也還在研發當中,仍有許多障礙。」[5]

量子電腦的挑戰

細緻的量子態十分容易受到振動或電磁場、熱擾動的干擾,所以在穩定量子態的維持需要在接近絕對零度的超低溫度操作。[6]目前主流的量子計算技術之一矽基(silicon-based)自旋量子已是可以利用且十分成熟的半導體技術,具有和現行電腦相容性,且被認為未來容易向上擴充,而吸引Intel和其他研究人員投入研發。[7]最後,為了使量子電腦真正發揮效能,專家們認為應該同步研發量子軟體以因應量子計算時的複雜與困難,若在未來需要大量使用時,運算的高複雜度勢必為人才培育帶來難題[8]

結語

量子電腦的出現是科技的一個重大里程碑,量子運算有望解決地球上的某些最大挑戰:在環境、農業、健康、能源、氣候、材料科學等領域,以及我們尚未遇過的其他問題。雖然初期的應用只是在解決特定領域的特定問題,同時配合傳統電腦的操作為運算進行升級之用,若量子電腦一旦快速起飛,企業和國家就需準備如何因應這個新科技所帶來的利與害,並且需要為量子計算所帶來的破解資安威脅做好規劃與政策。

[1] John Von Neumann(1993). First Draft of a Report on the EDVAC. 檢自:https://web.mit.edu/STS.035/www/PDFs/edvac.pdf (Apr. 07, 2022)

[2] 李哲明、陳岳男(2011). 簡單判別量子糾纏態。檢自:http://research.ncku.edu.tw/re/articles/c../20110826/2.pdf (Apr. 07, 2022)

[3] 同註2

[4] Kevin Hartnett(2019). A New Law to Describe Quantum Computing’s Rise? 檢自:https://www.quantamagazine.org/does-nevens-law-describe-quantum-computings-rise-20190618/ (Apr. 07, 2022)

[5] 黃亦筠(2017). 量子電腦拚量產 解決全球暖化只要幾小時?檢自:https://www.cw.com.tw/article/5086613 (Apr. 07, 2022)

[6] Jennifer ouellete. (2017). Nanofridge could keep quantum computers cool enough to calculate. 檢自:https://www.newscientist.com/article/2130210-nanofridge-could-keep-quantum-computers-cool-enough-to-calculate/ (Apr. 07, 2022)

[7] 李建興(2017). 低價量子電腦現曙光! 普林斯頓大學矽基量子晶片實驗成功。檢自:https://www.ithome.com.tw/news/119555 (Apr. 07, 2022)

[8] Will Zeng, Blake Johnson, Robert Smith, Nick Rubin, Matt Reagor, Colm Ryan& Chad Rigetti. (20173). First quantum computers need smart software. 檢自:https://www.nature.com/articles/549149a (Apr. 07, 2022)

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