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二次量子科技革命─量子電腦霸權已經降臨?

量子科學在二十世紀初期由歐洲奠基而後逐漸成熟,並推動了近代對宇宙萬事萬物的深入了解。量子科學在許多概念與古典宏觀世界確實有顯著不同,例如量子化與不確定的機率概念不但在科技上造成極大變化,同時也在人文與哲學方面引起甚多探討。
 
 
電晶體與CMOS出現後造成第一次量子科技革命,電子學讓人類生活起了革命性變化。嚴謹的說,雖然電子學造成翻天覆地變化以及地球上財富與國力的重新分布,但是仍然只應用了量子科學極少數的知識。量子物理核心知識的疊加性與糾纏態,以及量子操控在過去一直仍屬於實驗室與科學家的範圍。2018年10月29日歐盟正式啟動第二次量子科技革命,各大公司所提供嶄新的量子科技將於未來數十年內快速的推進人類文明的再進化,甚至可以預期也將再度衝擊人文與哲學新思維。本次演講將略述二次量子科技革命的重要性以及量子電腦出現後可能的影響及產業界及年輕人應有的準備。
 
講演綱要(審校|孫維新)
「如果量子電腦哪天成真,今天的電腦可能就變成算盤!」,這不是假消息,是張教授以前就讀臺灣大學物理學系的同班同學,現在亦為同事關係任教於物理學系,本場演講的主持人國立自然科學博物館孫維新館長在介紹時,用以形容量子電腦的主宰與「制霸」,看著不可忽視的量子崛起,孫館長特別邀請「老」朋友談年輕世代的未來,看全面啟動的量子電腦如何影響人類的未來生活。

在展開這場量子革命前,張教授梗概介紹自身學術與行政的特殊經歷,在琳瑯滿目要職當中,曾擔任亞洲磁性學會聯盟主席,但擔任世界物理聯盟女性物理工作小組委員尤其特別,不僅在國際間成功地領導磁學和自旋專業,也積極推動各項女性物理學家事務,值得再提的是,張教授是世界女性物理學會,「唯一」的男性常務理事,備受世界歡迎,真的很厲害!

回首另一個生涯中有趣的變化,是在2005年「物理光耀世界」世界物理年,當時張教授擔任物理學會理事長,因緣際會下處理起公眾事務,擔任起世界物理年臺灣的總主持人,當時也與孫維新館長合作,創下許多個第一:包含整理臺灣物理史、製作女科學家電影、舉辦物理博覽會特展等。臺灣在101點燈活動(將愛因斯坦質能轉換公式放上101外牆)中的耀眼表現,更從全球脫穎而出,獲得世界第一名殊榮,他還受邀至瑞士伯恩領獎。張教授「點」出辦活動的關鍵,「願景」與「理念」是成功的根本!

張教授在研究上也捷報頻傳,獲得巴黎十三大學榮譽客座教授,和俄羅斯國際工學院院士等世界級榮譽,而現在的張教授不只擔任物理系特聘教授,也在另一個跑道貢獻專長,擔當起NTU-IBM 量子電腦中心的主任。不過,他也表示「這一輩子坦白講也沒有料到會來推動量子電腦」,然而,人生不就是做好準備,順其「不確定性」,並愉快的走下去!

張教授表示,量子電腦的重要概念為「疊加性(Superposition)」、「糾纏態(Entanglement)」、「測量(Measurement) 」,和「希爾伯特空間(Hilbert Space)」,但一般人如果要先學通數學和物理,再來用量子電腦,恐怕需花費十五年之久,這在專家眼中是不必要的。現在沒有多餘時間,面對量子電腦的來勢,就只要相信它,學習使用的方法就好!另外,也不用把量子電腦看得太可怕,大家用手機的時候,也不了解手機怎麼運作,但卻可以學會怎麼用。其實量子電腦只是名字取得讓人聞之卻步,如果將現在用的電腦改叫「古典電腦」,稱量子電腦是「現代電腦」,是不是更為平易近人?

在知識競爭的年代,掌握知識就等同於掌控未來。歐盟在2018年正式啟動了「量子旗艦計畫」(Q-Flagship),2018年底時美國國務院通過國家量子計畫(NQI, National Quantum Initiative Act)法案,日本在同年也提出量子飛躍旗艦計畫(Q-LEAP),儼然成為科學家的世界大戰。世界強國相繼大張旗鼓,想要獨占鰲頭,不難看出量子技術的無窮商機,張教授也引用《蟻人與黃蜂女》電影內一段話,大意就是:你可以忘記奈米技術(Nano-tech)、人工智慧(A.I.)、加密貨幣(Cryptocurrency),未來就是量子技術的時代,是下一個淘金熱!

「傳統電腦」有硬體製造上的根本限制,張教授指出在「摩爾定律」(Moore's law,指數成長)趨勢下,就算可容納再多的電晶體,還是無法跨越原子尺寸的那堵圍牆,運算速度上也有「阿姆達爾定律」(Amdahl law)的平行計算效率的天花板。2019年Google宣稱發展出轟動的「量子霸權」(Quantum supremacy),實際上也是打破傳統的束縛,以舊材料但是新科學開創嶄新未來。比之傳統或現有的超級電腦,它具備有壓倒性解決問題的計算速度。正在經歷且發展的量子革命,不是更多(More)摩爾定律,而是多於(More than)摩爾定律,這也造就Neven's law的出現,描述量子電腦正以雙重指數函數(Double exponential)的速度成長。

將傳統0與1的系統位元,比擬成錢幣靜態下的正與反,則量子位元(qubits)是兩者的任意組合,就像是動態下正在轉動的錢幣,看不出它是正,還是反。如果就其文學性來抒發,張教授借《木蘭詞》來解釋疊加性的精妙:「雄兔腳撲朔,雌兔眼迷離,兩兔傍地走,安能辨我是雌雄?」而打個更通俗一點的比方,量子糾纏性就像國語金曲《你儂我儂》歌詞:「我泥中有你,你泥中有我」,能隨時掌握對方的資訊。再將兩種電腦作個比較,張教授說即使現在的電腦能做到270個量子位元的事,估算上也無法存在於地球,因為就算製成作到1奈米,還是會達到1018米的大小,相當於銀河系的寬度,結論是傳統電腦是做不到的!

物理學家理查.費曼(Richard Philips Feynman)曾說:大自然不是古典的,如果你想要模擬大自然,你最好把它變成是量子力學。這個自然界的規則,而且攸關未來的學問,張教授指出不要當成困難的「知識」,要看待為基本「常識」。張教授說,美國正努力把量子概念發展成3歲小孩的遊戲,有本書名為「寶寶的量子物理」,亞馬遜2019年10月出版一本Qubits and Quiver Trees,這些都是發生中的事情,因為要讓小孩快點熟悉未來用得上的學問。

張教授也快速的講解量子應用的核心課程,量子電腦涵蓋量子位元、量子閘技術,量子電腦微架構、量子演算法,和量子理論等,在世界上已經是一個龐大的產業,現在最為商業化的,是結合半導體技術的超導電路量子位元,IBM和Google都以此研發,競爭的還有拓樸線、量子點、鑽石空缺等技術,可謂百家爭鳴,有能力的國家和企業都躍躍欲試。

IBM、微軟、Google、Intel正發展全方位(Universal)量子電腦,其他的有些發展量子退火(Quantum annealing處理過程),特定最佳化問題的量子電腦,也有幾個企業選擇數位退火技術(Digital annealing),張教授提到量子電腦帶來全面性的影響,可以做傳統的應用,也可以做量子應用,如新藥材研發、生物醫學、銀行投資管理、金融科技、交通控制、人工智慧、量子機器學習與優化、複雜工程系統設計等。

一百年前,人們認為想飛上空中是不可能的,現在飛機大量的佈滿於世界地圖上,一百年後的量子電腦又是如何?希爾伯特曾說:我們必須知道,我們必將知道(We must know, we will know),希爾伯特空間帶來量子應用的雙重指數成長性,很快的2030年前後可能帶來量子的取代,張教授也說對下一代而言,「未知」比「已知」更為重要,量子科技跨領域的人才培育需要普及,人才需要年輕化、國際化、數位化,大眾真的需要密切關注,機會就在「唯快不破」的量子電腦!

走向未來的量子浪潮,世界各國無不戰戰兢兢,就像張教授引述美國報媒《The Hill》智庫的說法,量子計畫就是二戰的「曼哈頓計畫」,所有人都要到船板上(All hands have to be on deck),都要出來努力打仗。他在最後強調「知識」對世界各國的國力有驚人的影響,「磁」的方向性,讓英國可以在航海稱霸,是當時的高科技;工業革命時英國利用「力」和「熱」,領先世界發展;美國在二戰結束後,以光電學和電子學的優勢,成為世界強權。他鼓勵下一代盡早開始學習「量子物理」,當作床邊故事來讀更好!
 
 
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