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量子霸權年代?—嘈雜中級量子時代

  • 林育中

量子霸權年代真的到了嗎?現在還要奮鬥的方向還很多—初見到了曙光,但是一切都是遠景。IBM

9月18日IBM宣佈其IBM Q會將其「量子艦隊」增加為14個系統,其中有一個系統有53個量子位元。無獨有偶,金融時報於9月21日報導Google將一篇論文置於NASA論文網站,隨後即遭刪除,但是論文已在網路可見,標題是“Quantum Supremacy Using a Programmable Superconducting Processor”。Google於量子計算領域一向低調,此次用媒體式的標題「量子霸權」有點令人感覺意外,雖然量子霸權一語是由學者John Preskill所提出的。

這部量子計算機叫梧桐樹(Sycamore),有53個量子位元,是超導體電荷量子位元的一種transmon,與IBM所使用量子位元的種類是一樣的。Transmon形成的量子位元基本上是以這量子位元超導體島(superconducting island)上有無多餘的古柏對(Cooper pair)電子來決定其量子狀態,設計的特性在於降低量子位元對於環境電荷的敏感性。現在transmon的相關時間(coherent time,可以粗略想像為量子位元上量子狀態存活時間)已達到100μs,比以前長很多,也就是量子位元可以維持相當長的時間,容許比較從容的做計算。此量子位元線路基本上是個6x9個方形交錯的陣列,有一個量子位元壞了,所以總共是53位元。每個量子位元與四周的量子位元間都有一個藕合器(coupler),這是量子位元之間形成量子糾纏的元件。每個量子位元外接兩個控制器,一個是微波驅動器用以激發量子位元-每個量子位元上至少需要兩個量子狀態,一個是磁通量控制器用以調量子位元頻率。另外每個量子位元還有一共振器,用以讀取量子位元。這就是Sycamore量子計算機的裝置梗概。

由於是初問世,論文內容主要是探討量子計算機的可靠性。用的是隨機線路(random circuit)。最多選擇全部53個量子位元,然後在這些量子位元上先施加隨機單量子位元閘(single qubit gate)操作,改變量子位狀態,然後隨機選擇數對量子位元,操作隨機二量子位元闡(two qubit gate),疊加或糾纏二量子態。這樣的周期反覆20次。

雖然線路看似隨機而雜亂無章,也沒有特殊的演算法,卻也有實際的應用,譬如產生隨機數。因為量子位元具有內在的機率特性,產生的亂數是真實隨機數,而不是像傳統電腦所產生的偽隨機數。預測的保真度(fidelity)雖然只為0.2%,但這問題可以對同一量子線路百萬次測量來解決—百萬次測量可以降低不確定性一千倍。

接下來就是這些53個量子位元最令人上心的性質。53個位元有253約1016個狀態,最頂尖的超級電腦-譬如Summit-也沒有DRAM容得下這麼多狀態。用Sycamore計算同一線路重覆取樣一百萬次只需200秒,其中量子處理器其實只用了30秒,其餘的是周邊控制線路耗費的時間。但是若以最強的傳統超級電腦執行類似費因曼路徑積分(Feynman path integral)以模仿此量子隨機線路,估計需要一萬年。更好的模擬線路也許可以再縮短一些時間,但這與量子電腦計算時間9個數量級的鴻溝是無法跨越了,這就是那略嫌誇張的字眼「量子霸權」所著墨的。

但是量子霸權年代真的到了嗎?遠著呢!50個量子位元實在不足以解決真正的量子問題—差不多剛好夠計算單一個苯環的結構,而且目前有用的量子演算法還真的一隻手的手指數得完。用超導體的性質當量子位元雖然相關時閒比用固態物理的量子位元長,比NMR、離子陷阱(trapped ion)量子位元容易操控且位元多,但反過來説優點也就是缺點。現在還要奮鬥的方向還很多:開發新型態量子位元、增加量子位元數、容誤(fault tolerant)、量子誤差校正、發展新演算法等。用John Preskill所倡議的另一個名詞NISQ(Noisy Intermediate-Scale Quantum;嘈雜中級量子時代)來?述目前的發展現況也許更為貼切—初見到了曙光,但是一切都是遠景。

現為DIGITIMES顧問,1988年獲物理學博士學位,任教於中央大學,後轉往科技產業發展。曾任茂德科技董事及副總、普天茂德科技總經理、康帝科技總經理等職位。曾於 Taiwan Semicon 任諮詢委員,主持黃光論壇。2001~2002 獲選為台灣半導體產業協會監事、監事長。現在於台大物理系訪問研究,主要研究領域為自旋電子學相關物質及機制的基礎研究。