量子運算應用 社會發展新力量

本月初，中國科學技術大學潘建偉、朱曉波團隊在arXiv提交了論文《60量子比特24層循環隨機電路採樣的量子運算優越性》（Quantum Computational Advantage via 60-Qubit 24-Cycle Random Circuit Sampling），提到超導量子電腦系統「祖冲之2.1」，與前代「祖冲之2.0」相比，量子位元（qubits）數量仍是66，但是完成了更大規模的隨機電路採樣。照文章估計，使用最先進的經典算法（張量網絡）和IBM「高峰」（Summit）超級電腦，也需約4.8萬年才能完成的經典模擬隨機電路採樣實驗，「祖冲之2.1」只需約4.2小時就能完成，速度快了近1億倍，大大提高了量子運算優越性（即量子霸權）。

究竟量子電腦和運算技術在商業應用上的前景如何，的確是一個引入入勝的議題，很值得一談。

量子理論和運算其實已經存在一段時間。可以說，量子理論是20世紀一項偉大的科學發現和成就，而量子電腦在上世紀80年代亦已經出現和應用，只是當時的設置相對簡單。量子電腦出現的肇端，可以從經典物理學和量子物理學的區別之中得到了解。

電路晶體增速 恐達極限

普通的電腦是以電子作為基本載體，通過二進制系統進行運算，無論是數字、文字、圖片等所有信息，都使用一系列0與1表示並進行儲存，最小儲存單元稱為「位元」（bit）。在採用二進制的數字電子方式進行運算時，整體均處於0或1的確定狀態。

傳統電子電腦一路發展，經過上世紀40、50年代，按照「摩爾定律」（Moore's law），積體電路可容納的電晶體數目，每隔18個月增加一倍。回頭去看，電晶體的數目的確不斷增加，體積愈來愈小，如今已到了「納米」級水平，但「摩爾定律」所描述電晶體以倍數增加的速度，近年無論在邏輯或是現實上，均無法保證會持續下去。在受到物理限制下，要再發展下去，很自然要考慮進入量子運算和應用量子電腦的新紀元。事實上，量子運算被認為是突破「摩爾定律」極限最有前景的技術之一，為社會發展帶來進步和改變的力量。

與二進制電子運算技術不同，量子運算是按照量子力學的規律，調控量子信息單元進行運算。扼要言之，是利用量子力學的疊加特性，能夠在運算狀態下進行疊加，亦即不只包含0和1，而且還可以包含0和1混合同時存在的「疊加態」（superposition）。換言之，電子電腦每個「位元」是0或者1，但量子電腦有0和1「混合物」的儲存單位，稱之為「量子位元」（qubits）。

談到「疊加態」，值得補充解釋量子力學上著名的「薛定諤的貓」（Schrodinger’s cat）思想實驗：把貓放到一個盒子裏，盒內接連到一個裝有一個放射性原子核和毒性氣體的實驗裝置，如放射性原子核發生衰變，便觸發實驗裝置打開，毒死這隻貓。按照量子力學，未進行觀察時，亦即盒子不打開，這個原子核處於已衰變和未衰變的疊加態，這隻貓在盒內處於生存、又處於死亡的疊加狀態，即「又是生又是死」；但如果把盒子打開進行觀察，疊加態瓦解，便會看到「衰變的原子核和死貓」或「未衰變的原子核和活貓」兩種情況。換言之，一進行觀察，就會確認貓是生是死；未觀察，便處於「又是生又是死」的疊加態。

量子運算的另一特徵是量子糾纏（quantum entanglement），即個別粒子在彼此相互作用後，雖然相隔很遠距離，但彼此有連繫，相互有所反應，而且在相互作用後所形成的系統整體性質，以致在處理很多具體問題上，量子電腦比傳統電子電腦算力更快速、更強大。

疊加態＋量子糾纏 算力倍增

「疊加態」加上量子糾纏，導致的結果是可以進行並行的運算，例如2個qubits，可以進行4個運算（2的2次方）；3個qubits，可以進行8個運算（2的3次方）……可以想像，1,000個qubits理論上可進行2的1000次方的運算，如此巨大的並行運算能力，是電子電腦所無法比擬的。

量子電腦目前還未普及商業化，有其硬件和軟件的原因。先說硬件，量子電腦的硬件要求很高，並且容易受到其他外來的干擾。可編程的量子芯片，在材料、工藝、設計、製造和封測等方面的要求，都與經典集成電路芯片有異；在軟件方面，則需要有新的編程語言。

誠然，與普通電子電腦比較，量子電腦並非每一方面都更先進，但由於量子運算技術可以同時並行多種運算，因而對於某一些問題特別適用。不過，應用者要找得到問題，並能夠用量子電腦讀得懂的語言來編程。

在90年代中，美國電腦科學家比得．秀爾（Peter Shor）提出在量子電腦應用上的「秀爾演算法」（Shor's algorithm，又稱為量子質因數分解演算）。運算的基礎方法，是把一個整數分解為幾個約數的乘積（product）。「秀爾演算法」之所以重要，因為它代表使用量子電腦，可以用來破解已被廣泛使用的公開密鑰加密方法，即RSA加密算法。

RSA加密算法的基礎，是假設了我們不能有效率地分解一個已知的整數，而「秀爾演算法」明晰地展示，這個問題可以在量子電腦上有效得到解決。雖然傳統電子電腦也可以進行運算解密，但需時很長，而量子電腦可以同時作並行計算，因此能夠更快速有效地解密。

中美投資巨 量子電腦發展快

近幾年量子電腦的發展特別快速，原因何在？一方面，是硬件取得可觀發展，進步神速。事實上，Google、IBM和不少科研公司近年投入大量資源，尤其美國和中國投入大量資源，開發量子電腦的硬件材料；另一方面，在軟件即算法方面，也有很大提升。

誠然，量子電腦和量子技術在商業和金融應用上，近年受到銀行和金融機構投入資源，不斷進行研究和開發，而在其他潛在領域，例如交通運輸行業，在甚麼情況下，如何選擇最好的運輸路綫，車輛可以用最短的時間和成本，把貨物運輸到目的地，量子運算技術可以輕易取得最佳的選擇方案。

在40、50年代，電子電腦的運算能力有限，但機體的體積幾乎佔用了整個房間，能夠擁有一部電子電腦的人數不多；目前世界各地幾乎每個人都擁有至少一部手機，體積可在手握之中，且功能之多，已與每個人的生活相連，無論購物、交易支付、進行社交活動、掌握世界大事的發生，都可盡在手機中，當中所蘊含的商機，是當年無法想像的！如今量子電腦和運算技術的研究和開發，在未來商業上的應用，無疑也給人類社會帶來無限的想像和憧憬！

▲ 近幾年量子電腦的發展特別快速，一方面是硬件取得可觀發展，尤其美國和中國投入大量資源，開發量子電腦的硬件材料。圖為中國科學技術大學量子電腦原型機「九章」。（新華社資料圖片）