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崛起中的量子科技 多重挑戰仍待克服

清華大學物理系教授暨前瞻量子科技研究中心主任牟中瑜。

量子力學的深奧難懂,連最早提出可利用它來運算的物理學家費曼都曾說過,「平心而論,我認為量子理論是沒有人懂的...」歷經近40年的長期發展,現今,全球正迎來新一波的量子運算熱潮。對於量子科技可望帶來的龐大潛能與革命性改變,業界無不寄予厚望,然而此前瞻技術的真正實現與帶來商業價值,還有好長的一段路要走。

量子科技的基本理論與應用

到底什麼是量子現象?清華大學物理系教授暨前瞻量子科技研究中心主任牟中瑜表示,「簡單來說,在次原子世界中,微小粒子會像物質波一樣,可以同時通過兩個門,而且是完整通過的。」

物質這樣奇特、難懂的行為是必須特別處理才能呈現出來的。若用兩個門來表示0和1,這意味著,量子位元可同時是0也是1,但測量時只能測到0或1,只是0與1各有其測量出來的機率,這就是所謂的疊加(superposition)原理。

因此,若以球面來比喻,古典電腦位元的0和1好比南北極,而量子位元可以涵蓋整個球面,帶來了更寬廣的操作空間,這是它的最大優勢。另一個重要特性是糾纏(entanglement),是指一對粒子像攣生兄弟一樣,會感受到彼此的狀態,而有相應的行為。實驗證明,即使距離很遠,糾纏行為一樣存在。

根據這兩基本特性,形成了全新概念的量子位元。以50個量子位元為例,它代表2的50次方個實數的運作空間。若以每一個浮點數字需要4個byte來計算,則需4x250=4.5 petabyte來描述,這已遠超過傳統電腦的運算規模。

牟中瑜強調,量子運算並不是用來取代傳統電腦的,而是透過發揮其獨特性質,開創出全新的應用與可能性。

目前量子科技的發展,在資訊科學方面,有演算法、程式設計與協定的開發。在量子裝置領域,涵蓋了量子電腦、量子模擬器、量子退火機(annealer)、量子通訊/網路、量子感測器等多種應用。

其中,量子演算法的龐大運算能力是深具吸引力的。牟中瑜表示,利用量子位元的波動現象,以及相互糾纏的平行處理,可以在巨大的量子態向量空間中加速找尋答案,與傳統電腦只侷限在0與1所組合之數字中找尋答案的方式完全不同。

以搜尋電話簿為例,若有N筆資料,傳統需要逐一比對才能找到答案,但利用量子搜索的集體處理,只需N的平方根次即可。其他,像是推銷員旅程問題(TSP)、圖色問題等,利用量子演算法能更迅速地找到最佳值。同樣地,利用量子運算的平行處理,透過輸入多個物件同時學習,可以大幅加快機器學習速度。

另一個重要應用是,大質數的因數分解,這是加密系統的重要步驟。以300位數的大質數為例,THz的古典電腦得需要150,000年才算得出來,利用量子計算,不到1秒便可得到結果。此外,利用量子糾纏特性,使密鑰被竊聽就被會知道,因而可實現完全安全的量子通訊。

量子科技的挑戰

牟中瑜指出,量子計算與量子通訊的終極目標是建立結合量子計算、量子位元,與量子資訊傳遞的量子網路。然而,雖然前景可期,但在實際建置上仍面臨了極大的困難。

最大的挑戰在於,量子態特性是脆弱,不能被複製,而且還有存活時間太短,以及飛行量子位元衰減的問題。目前開發的量子電腦,最大可提供約50~100個量子位元,但需在低溫環境下操作,而且精確度不足,無法擴大規模。而台灣的技術能力,可製作4~5個量子位元。

此外,在精確度方面,由於目前能達到的精度有限,這使得要達到1,000個可用的邏輯量子位元(logical qubit)做運算時,除錯所需要的的實體位元數需要到一百萬個才足夠。

因此,牟中瑜強調,真正的應用還有好長一段路要走。不過,隨著雛型已經就緒以及大量研發資源的投入,他也樂觀預期,1,000個實體量子位元有可能在未來5~10年達到,並在持續加速發展下,推動量子科技願景的真正實現。

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