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第二次量子革命─量子電腦

19世紀末,人們觀察到量子世界,提出量子力學理論,顛覆了古典物理世界,視為第一次量子革命。現在,不僅僅只是理論,更要去應用它,第二次量子革命正揭開序幕。
 
 

19世紀末,人們觀察到量子世界,提出量子力學理論,顛覆了古典物理世界,視為第一次量子革命。現在,不僅僅只是理論,更要去應用它,第二次量子革命正揭開序幕。

 

量子電腦威力無窮

 

台灣大學IBM量子電腦中心主任張慶瑞說:「The Future is quantum!」(未來屬於量子!)

 

雖然超級電腦越來越快,但仍有瓶頸。遵守摩爾定律的電晶體尺寸,已經快到極限;平行化計算也快達飽和;最重要的是,超級電腦越來越耗能、成本越來越高。而量子電腦將是解藥。

 

舉例說明量子電腦與古典電腦的差異。如果每次走一公尺,走30次後可以走多遠?古典電腦的走法是1x30,結果是30公尺;量子電腦則是2的30次方,約等於繞地球26圈。這種指數增長便是量子電腦的威力。因此,人腦神經元數量約為1015,只要50個量子位元(qubit)即可描述。預計100個量子位元後,很多問題都能迎刃而解,包括一般最佳化問題和化學問題。500個量子位元就可以描述全宇宙的狀態。

 

量子威能如此強大,美國智庫認為,量子技術等於是二戰前的核彈技術,先掌控這個技術的國家就能掌控全世界。因此各國無不投入大量資源研發量子電腦,以爭取量子霸權。目前只有D-Wave、IBM兩家公司提供量子電腦服務。IBM還設計了量子遊戲「Hello, quantum」和「entanglion」,讓一般民眾不必懂量子力學就能熟悉量子電腦的操作。

 

量子電腦的原理

 

量子電腦運用了費曼(Richard Feynman)和圖靈(Alan Turing)兩位科學家的概念。費曼說,這個宇宙本來就是量子構成的,怎麼可能用古典的東西去模擬,一定要用量子去解決量子問題。而圖靈則是用0和1來描述所有的數學邏輯問題。兩者相加就是量子電腦。

 

量子電腦的單位是量子位元,主要應用了兩個特性:疊加態和糾纏態。

 

木蘭辭中的雄兔和雌兔可以巧妙地比喻兩個特性。將一公一母的兔子丟到草地上讓牠們奔跑,遠遠看,「安能辨我是雌雄?」可能是公也可能是母,兩種狀態同時存在,就像旋轉中的硬幣不知是正面還是反面,這種現象稱為疊加態。抓起一隻兔子發現是公的,那就知道另一隻是母的;如果把公的動了變性手術放回去,另一隻也會自動改變。這稱為糾纏態。

 

根據這兩個特性,一個古典位元的0和1只能描述布洛赫球面(Bloch ball)的北極和南極,但是量子位元不只描述兩個點,而是一次就描述布洛赫球面上所有點。四個量子位元,不是指四個布洛赫球,而是四個布洛赫球共同提供的24的平行空間,一次就表達了24所有的可能性。所以量子電腦可以同時做24個平行處理。

 

例如,如果想在迷宮裡尋找出口,古典電腦只能一條路一條路地去嘗試,但量子電腦可以產生分身,一次就找到出口。如果用射箭來比喻,個人電腦每次只能一支箭,超級電腦是連弩弓,可連續射箭,量子電腦就是鋪天蓋地的箭雨。

 

不過量子演算法必須在量子電腦這個黑盒子裡進行,中間過程要讓它自動發展,不能偷看,一旦偷看(在量子世界中稱為量測),就會回到古典世界。這個黑盒子內的量子過程稱為神諭(Oracle)。

 

最後,張慶瑞再次強調,未來屬於量子,而且不只是電腦,感應器、通訊器等都將量子化。

 

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