革命性科技:量子電腦

革命性科技:量子電腦

撰文/Jack Parsons
轉載自《HOW IT WORKS 知識大圖解》2020年6月第69期

新一代的數字處理器用上了粒子之力:速度超快的電腦將如何改變世界?

科技巨擘Google聲稱已實現了「量子霸權」,聽來雖不可思議,但這代表旗下的Sycamore處理器已能完成一項無從匹敵的任務:在3分20秒內,解出一道複雜至極的數學題。該搜尋引擎巨頭表示,即便用最先進的超級電腦苦算1萬年,也不一定解得了這道題。不過,Sycamore卻辦到了,因為它並非僅是現有科技的升級版,而是擁有截然不同的運作模式。

Sycamore是台量子電腦,意即會由粒子的奇異行為所驅動。其先進的處理能力有望用來治療失智症或研發人工智慧。正因如此,難怪各大科技公司無不竭力開發自家版本。就連各國政府也挹注了數十億美元的研究經費。其實,美國和中國政府之間互相爭鋒,可說是「21世紀的太空競賽」。

儘管對Google來說,Sycamore可謂一大躍進,但就整場技術革命而言,這不過是第一步而已。量子電腦所蘊含的物理學如此非凡,艱鉅至極的挑戰因此隨之而來,且大多仍未被解決。

想理解量子電腦的運作原理,就得先接受一個驚人的事實:物體可同時出現在兩處。沒錯,這頗難理解。首先,人類無法如此感知事物。再者,數世紀以來,牛頓為首的科學家聲稱世界會以可預測的模式運行。比方說,樹上掉下的蘋果即便可能會先砸到頭,但終會落地。將蘋果帶回家中廚房後,也不可能一轉頭,它就在廁所出現。

然而,上述規則並不適用於次原子尺度。所謂的「量子」代表所測得的最小量,即宇宙的基本組成單元。20世紀初期,尼爾斯.波耳、維爾納.海森堡和埃爾溫.薛丁格等科學家發現,雖然幾乎可在任何地方找到粒子,但在某一特定點找到粒子的必然性卻為零。原因在於:粒子可同時出現在兩個地方,例如電子能同時向上、向下旋轉。

物理學家將這種行為稱為「疊加態」(superposition)。更複雜的是:疊加態僅會在不被注意時發生。在著手測量當下,粒子便失去曖昧不明的狀態,只會往一個方向旋轉。物理學家能做的就是:算出粒子被觀測時,呈現出何種狀態的機率。

怪事還沒完,粒子也可能成對或成群地「糾纏」在一起。粒子彼此變得緊密相連,以致於改變其中一個,另一個也不得不改變。愛因斯坦稱此現象為「鬼魅般的超距作用」,即使粒子分處宇宙兩端,也能起作用。

覺得頭昏腦脹?其實,連協助定義量子物理學原理而獲頒1965年諾貝爾物理學獎的理察.費曼都表示:「沒有人能真正瞭解量子力學。」儘管如此難懂,費曼仍未打消打造量子電腦的念頭。

1981年,費曼在加州理工學院的一堂課上表示:是該重新發明計算機了。同年,國際商業機器公司(簡稱IBM)首創「個人電腦」(簡稱PC)一詞。但還要再過10年,這種設備才會成為日常用品。

然而,電腦──從早期的IBM設備,到現在的MacBook──基本上都是處理「位元化」後的資訊。每個位元代表0或1,因此二元碼便構成了所有電腦運算的基礎。電腦擁有的位元數越多,就越能處理困難的工作。

費曼提議的量子電腦則會使用量子位元(qubit,以疊加態存在,可同時表示1和0)。若兩個量子位元構成了纏結態,就能同時包含四個值:1-0、0-1、1-1和0-0。隨著量子位元數量增加,量子電腦很快就會比傳統機種更強大,處理資訊的時間便能縮到極短。

費曼雖提出了上述技術的運作藍圖,但實際打造出量子電腦卻困難得多。量子位元由各原子或次原子粒子構成,僅是試圖進行控制,就可能讓其失去量子特性。光是將量子位元相接便耗時數年,以致於首台雙量子位元電腦到了1998年才問世。

然而,一切在20多年前全然改觀。當時超導電路在日本率先問世,透過強大的冷卻器,量子位元得以降至攝氏–273度。拜此法所賜,英特爾打造出49個量子位元;IBM更厲害,達到53個量子位元。Google顛覆傳統的Sycamore處理器亦是53個量子位元,但這家科技巨頭已打造出另一款72量子位元的處理器。連擁有1億1950萬美元資金的新創公司Rigetti也表示,正在開發一款128量子位元的系統。

然而,物體越大就越難冷卻,何況要比深太空還低溫。因此,當超導量子位元大到足以成就量子霸權時,其所依賴的冷卻器也幾乎不堪用了。

替代方法之一是使用離子(即帶有附加電荷的原子)。透過可發出電場的微晶片,便能捕獲離子,因此每個微晶片都可充作量子位元。其關鍵在於:可在室溫下運作,進而解決冷卻器的問題。不過,捕獲離子僅經實驗室測試,要達到所需的工業規模,耗時許久。與此同時,微軟正在試驗對溫度較不敏感的「拓撲量子位元」(topological qubit),但在過程中得分裂電子。這項技術本身就處在所謂的「量子狀態」:一方面取得了重大突破,同時也剛開始瞭解一二而已。

(本文由教育部補助「AI報報─AI科普推廣計畫」取得網路轉載授權)

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