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Google的量子霸權計畫—— 量子電腦將從理論成為現實?

今年七月,Google 發表了一篇論文,提出「Quantum Supremacy(量子霸權)」的計畫,顯示想要製造可能造成科技革命的超級量子電腦的野心!什麼是量子電腦?又為什麼足以造成科技革命呢?今天我們就來聊聊量子電腦的概念與前景吧!

 

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未來世界必不可少的電腦科技

 

隨著人工智慧的進步,部分傳統產業被取代、與智能機器人共存的說法四起,但 AI 領域近年的突飛猛進,並非源於程式語言的革命,演算法背後仍是複雜的數學邏輯與工程技巧。其進步乃是因為硬體設備的計算效率進展神速。當電腦提升了一個層次,人工智慧將有更加廣大的空間可發揮,因此電腦發展與人工智慧的未來科技,可說是唇齒相依!

 

根據摩爾定律,市場上積體電路可乘載的電晶體數目約每 24 個月就會翻一倍(另有 18 個月的說法)。計算效率是以指數形式進步的,預估摩爾定律將發展到 2020 年,而實際上在 2013 年此成長曲線已有趨緩之勢,週期改為 36 個月才成長一倍。一門學問的工法再如何精進,終有盡頭,無論如何縮小元件尺寸、改變晶體結構設計,仍會無可避免地面臨到物理限制,比如當電晶體的柵極過短,就很可能發生量子穿隧效應,導致電流出漏。因此量子電腦的研究,勢必成為開啟科技革命的金鑰匙。

 

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從電腦到神話般的量子電腦,不再只有 0 或 1

 

談到電腦的發展,傳統上使用二進位法(0 與 1)儲存資料,主要依賴積體電路上的電流是否通過來傳遞訊息。接近 1970 年代,人們開始提出「基於量子力學的資訊處理」構想,運用量子平行計算來操作資料,可以進行比傳統電腦更龐大、更複雜的計算。說了這麼多,我們對量子電腦的概念好像更不懂了……到底什麼是量子平行計算?量子電腦就不需要半導體電路了嗎?

 

其實量子電腦和傳統電腦用來紀錄資訊的最小單位同樣是 0 和 1 (Bit,比特),但量子電腦運用量子力學裡的態疊加原理(superposition principle),使得 0 和 1 可以同時存在,以其線性疊加來表示更多的資訊,稱之為量子比特(qubit)。0 和 1 同時存在聽起來是不是哪裡怪怪的?如果用 0 代表薛丁格的貓是死的,1 代表貓是活的,那一隻貓怎麼可能是又死又活的狀態呢?然而在量子世界中,科學家對此種特殊現象是深信不疑的。在這裡我們可以用中學的雙狹縫干涉實驗來作為疊加態的解釋,觀察屏幕上明暗相間的條紋,除了在極值之外,我們的確見到了既亮又暗的疊加狀態!

 

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穿過狹縫的兩波疊加,其合成波在相消性干涉與建設性干涉處(極值),分別產生暗紋與亮紋,但除此之外,亦有中間值,不亮也不暗,或可說是既亮又暗的疊加態。(圖片來源:AB physics B)

 

簡單來說,傳統電腦即是用半導體電路來紀錄 0 和 1 (半導體目前也只能紀錄 0 和 1 ),並進行古典運算,而量子電腦的概念則是控制原子或小分子的態( 0 和 1 的各種疊加態),來存取、計算更豐富的資料!概念聽來簡單,然而實際上要控制物質的量子態是十分艱鉅的任務,我們甚至無法確定在比物質基本單位——原子,還要小的亞原子世界中到底發生了什麼事?

 

 

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量子電腦與一般電腦資料表現方式差異的關係圖。 使用疊加態的qubit可以表現的資訊內容遠比傳統bit更豐富! (製圖:潘姵君)

 

難道量子電腦只能存在於神話嗎

 

早在 2013 年,加拿大的 D-wave 系統公司就已經發表「D-wave one」,號稱全球第一款商用型量子電腦,結果卻備受質疑,許多專家學者認為在其絕熱系統內雖有一些量子化的現象發生,符合量子電腦的意義,但這台電腦的測試報告並不足以說服其運算效能遠高於一般電腦。而且量子比特受限於技術也無法再擴展,尤其在違反物理直覺的神秘量子化世界中,實在難以掌控其運作機制。

 

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「量子霸權計畫」,Google 的挑戰書

 

無論如何,野心勃勃的 Google 自此已盯上了量子電腦這塊大餅,並如火如荼的進行開發工作,除了在今年六月的論文中介紹通用量子電腦模型,緊接著七月又發表了 Quantum Supremacy  計畫,宣稱將要製造出超越傳統電腦的超級量子電腦,將理論化為現實,未來電腦設備的革新與人工智慧的發展備受期待!

 

 

資料來源

Revealed: Google’s plan for quantum computer supremacy–New Scientist

google paper-Characterizing Quantum Supremacy in Near-Term Devices

量子電腦

態疊加原理

About 潘 享莨

在廣袤無垠的物理學界中潛心學習,一點一滴積累著各種新鮮有趣的科技新知。我想透過寫作,抒發對知識的熱情,滿足對變動世界的好奇!
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