量子運算應用 社會發展新力量

評論‧世情 2021/09/30

分享:

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)

撰文 : 黃昊 科大商學院副院長、會計學系副教授

欄名 : 評論

緊貼財經時事新聞分析,讚好hket Facebook 專版