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搶奪「量子霸權」,科技巨頭把量子電腦帶出實驗室
數位時代高敬原
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未來十年,量子電腦將會對許多產業產生重大影響,為了達成「量子霸權」的目標,科技巨頭紛紛砸重本投入研發,將量子電腦帶出實驗室,走入商用階段。

量子體系用於運算的想法,早在上個世紀1980年代,就由物理學家理察‧費曼(Richard Feynman)提出,然而量子電腦一直被視為如白日夢一般遙不可及的未來,近幾年IBM、Google、微軟(Microsoft)、Intel等科技巨頭,紛紛投入量子電腦領域後,才讓量子電腦有從實驗室慢慢走向一般商用領域的跡象。

摩根士丹利曾在2016年表示,未來十年,量子電腦將會對許多產業產生重大影響,更預估高端的量子電腦運算市場,2025年會達到100億美元的價值,各家大廠磨刀霍霍投入大量資源做研發,為的就是達到「量子霸權(quantum supremacy)」的目標。

「量子霸權」是2012年,由加州理工學院物理學家焦恩·普瑞斯基爾(John Preskill)所提出的概念,意思是當量子電腦發展到50量子位元(qubit)時,運算能力將會超越世界上所有電腦,具有解決傳統電腦所解決不了問題的能力。

而目前究竟有哪些公司正著墨在這個領域呢?

微軟

2005年,微軟當時就由數學家 麥可·弗里德曼(Michael Freedman)領軍,成立研究拓撲量子運算的「Station Q」實驗室,微軟執行長薩蒂亞·納德拉(Satya Nadella)認為,量子電腦的高速運算速度可以幫助人類解決像是醫療、能源,這類傳統電腦運算需要花上百萬年時間才能解決的難題,研究人員能因此受惠加速開發出新的材料、程式等。

去年九月也公布兩款量子模擬器,一款可以實際在一個場域中運作,另一款能夠在微軟Azure雲端平台上運作,微軟負責量子軟體開發的資深研究員Krysta Svore談到:「量子模擬器能讓開發人員在實體機器尚未問世的情況下進行開發工作;量子電腦能夠自動進行建模,如果是透過傳統電腦,我們並不能真正了解這些流程。」

藉由程式語言Q#,協助開發者開發量子電腦的軟體,加快量子運算走向商業化。
flickr

去年12月,宣布推出一款程式語言「Q#」,可以協助開發者為量子電腦開發軟體,喊出要在五年內讓量子電腦進入商業市場的目標;今年(2018)三月,微軟研究員透過由半導體材料和超導材料製作的奈米線材,發現馬約拉納費米子(Majorana fermion)存在的證據,它是一種穩定量子訊息編碼方式,微軟希望在今年可以將費米子轉化為量子,並在五年內提供商業使用,意味著微軟在量子電腦的努力上又邁進了一步。

IBM

IBM同樣在量子運算領域深耕多年,1998年就開發出第一個量子位元,2016年就開發出具有 5 量子位元(qubit)的量子電腦,一年多後,IBM就宣布研發出全世界第一台50量子位元(qubit)的量子電腦,並在2018年的消費電子展(CES)上正式亮相。

在公開展示50量子位元電腦內部結構時,IBM研究主席Jeffery Welse表示,目前所遇到最大的挑戰是溫度,因為量子位元可能因為噪音等干擾導致數據流失,為了將干擾降到最低,必須將處理器放置在比太空還冷上250倍的低溫環境中。

當量子電腦發展到50量子位元(qubit)時,運算能力將會超越世界上所有電腦,就稱為「量子霸權(quantum supremacy)」。
IBM

Jeffery Welse談到,IBM有信心在來十年內打造出一台具備50到100位元的量子電腦,「只需要幾分鐘的時間,就能得到傳統電腦花費五天運算才能得到的結果。」雖然目前IBM量子電腦的應用大多仍處於科學研究階段,但50量子位元(qubit)的出現,也激起不少人對於量子運算的期待與想像。

Google

Google應該可以說是目前在這塊領域跑得最快的公司了,今年三月Google量子 AI 實驗室(Google Quantum AI lab)公布了具備72量子位元(qubit)的處理器「Bristlecone」將IBM先前推出50位元的處理器遠遠拋在腦後。

在處理器「Bristlecone」之前,Google的量子電腦產品只有9位元(qubit),而依據「量子霸權」達到50量子位元(qubit)的定義,理論上這款處理器已經比量子霸權的定義更大,但錯誤率的穩定仍是一大關鍵,先前Google的9量子位元處理器有達到錯誤率0.6%的成績,而這次官方並沒有公布Bristlecone的錯誤率,但仍在聲明中強調若錯誤率可以下降,將可以超越目前的超級電腦,處理龐雜的運算問題,指出雖然目前沒有人能真正達到量子霸權目標,但仍對目前發展相當樂觀。

Google 量子 AI 實驗室(Google Quantum AI lab)公布了具備72量子位元的處理器Bristlecone。
Google

量子電腦要能真正商業化,必須達到100萬量子位元以上才合格,以現階段72量子位元以及錯誤率無法降低的狀況來看,量子電腦還有許多困難等待突破。

Intel

今年消費電子展(CES)上,Intel 執行長布萊恩‧科再奇(Brian Krzanich)展示了代號為「Tangle Lake」的49量子位元(qubit)的超導測試晶片。

跟先前推出17量子位元(qubit)的規格相比,已經取得相當大的進展,Intel 副總 Michael Mayberry談到,商業化是每間公司的最終目標,但至少還要5到7年才能從技術進入到商品化階段。

D-Wave

D-Wave 系統公司,是一家來自加拿大,創立於1999年的量子電腦公司,在2011年時推出第一台商用量子電腦,但當時能解決的問題及性能相當受限。

量子電腦擁有強大的運算速度,靠的是量子疊加(superposition)、量子纏結(entanglement)兩大量子特性,但D-Wave推出的電腦並沒有發生量子纏結,於是使用了一種叫「量子退火(quantum annealing)」的技術,讓每個量子位元和附近的量子位元相互糾纏。

D-Wave 是目前唯一有正式出貨量子電腦的公司,而Google一開始開發量子電腦時,也是使用D-Wave的量子電腦做研究。

D-Wave 是目前唯一有正式出貨量子電腦的公司。
Flickr

Rigetti

成立於2014年的Rigetti,是一家量子電腦新創,目標是「打造世界上最強大的電腦」,目前已經獲得超過 6,900 萬美元的融資,專門生產開發量子電腦的軟體。

2016年六月,Rigetti推出8量子位元(qubit)的晶片,以及一個叫「Forest」的雲端服務,讓開發者可以在上面寫代碼,模擬量子電腦運作的情況。

阿里巴巴

從2015年開始,阿里巴巴就開始關注量子運算領域,宣布聯合中科院成立亞洲首個量子計算實驗室。

匈牙利裔美國計算機科學家馬里奧‧塞格德(Mario Szegedy)、密西根大學終身教授施堯耘都是阿里雲量子實驗室(AQL)的成員,今年(2018)五月,團隊宣布成功研發名為「太章」的量子電路模擬器,這款軟體模擬器將有助於加快量子電腦研發。

量子電腦發展重要時程

年份 事件
2011年 加拿大公司D-Wave,推出第一台商用量子電腦。
2016年 IBM開發出具有 5 量子位元(qubit)的量子電腦。
2017年 IBM宣布研發出全世界第一台50量子位元(qubit)的量子電腦。
2018年 Google公布具備72量子位元(qubit)的處理器「Bristlecone」。

 

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