2018年1月29日

量子電腦—量子科技時代的來臨

張為民/現任國立成功大學物理系特聘教授。研究專長為量子電腦、量子場論、凝態物理、量子光學到量子非平衡統計的各種物理問題。



相對於人工智能,自從AlphaGo 打敗一大群世界圍棋冠軍無敵手,而AlphaGo Zero 又通過自主學習輕鬆打敗AlphaGo,你即使不太懂人工智能的工作機制,似乎也可以似懂非懂地講講人工智能的偉大遠景。然而,對於量子電腦,雖然時不時看到量子電腦的最新進展報導,特別是Google 與IBM 兩大科技公司在量子電腦研發上的白熱化競爭,使人們對量子電腦充滿了好奇,但如果你對「量子」了解不夠深入的話,大概無法給量子電腦說出個所以然。

而事實上,對於人工智能,它的基礎研究還處在非常初級的階段,像神經網路與機器深度學習,電腦視覺與自然語言處理等技術發展遠超越相應的科學理論發展。相反地,量子電腦是以20 世紀初建立起來的量子物理為其科學基礎。描述微觀世界(原子尺度)的量子物理及描述高速運動(接近光速)的相對論是過去一個世紀物理科學發展的基石,但量子理論至今仍然是人類對大自然現象所知道的最神奇又最詭異的科學理論。

量子是什麼?
量子不是原子、分子等構成我們自然界各種物質那樣的粒子,但它卻是揭開自然界所有已知基本粒子之神秘面紗的天使。量子物理詭異的觀測隨機性,讓提出量子概念的先驅者之一愛因斯坦為之大動肝火:「上帝不擲骰子」;也讓量子學說的創立者、奧地利物理學家薛丁格(Erwin Schrödinger)曾對別人說:「我為對於量子力學的研究感到抱歉。」


薛丁格。(Wikipedia)

其實,量子是一種概念,而不是一種東西,量子力學是描述自然界物質狀態的一個方式。自然界一切物體的運動分為粒子運動(如地球繞太陽的轉動)及波動(如傳遞訊息的電磁波)。量子物理告訴我們,一切物體及各種運動都同時具有粒子與波動二種特性,而當物體很大時,波動的特性不容易觀察到,因此人們用牛頓力學來描述粒子的運動。但當考慮的對象很微小時,像物體中單顆電子的運動,電子的波動是它的主要特性。這樣,束縛在物體內的電子,它的動量及能量會被量子化。薛丁格因此提出了描述物質的波動方程,建立了量子力學。

正是這樣的量子物理告訴我們,物質除導電與不導電外。還有「半導電(半導體)」,從而產生了半導體工業革命,改變了人類文明的生活模式。也正是愛因斯坦,用量子的概念發現光電效應,人們由此開發的光電商品,從搖控器、數位相機、雷射到太陽能電池等。而奇妙的量子穿隧效應使人們發展出掃描穿隧顯微鏡(STM)及原子力顯微鏡(AFM),探物質表面的原子結構,開創奈米尺度的科技時代。更神奇的是薛丁格從原子及分子的觀念思考生命的起源:What is life,啟發了華生(James Dewey Watson)和克里克(Francis Crick)發現DNA 結構,為生命遺傳機制打開了探索之門。

然而,近代科技的發展只用到量子的一些非常普通的物理性質,即量子能級、光電效應、量子穿隧效應等。這些物理性質大部分的中學生可能從近代物理中已學到。目前正在開發的量子電腦及量子通訊將利用量子世界中最神奇也是最怪異的物理性質,即量子疊加原理(quantum superposition)及量子糾纏特性(quantum entanglement),前者導致了物質波的概率描述,後者產生了遠距的瞬間量子關聯。


量子世界的本質

事實上,量子疊加原理產生量子相干性才是量子世界的本質。物質材料是由各種元素(原子)構成的,在原子尺度上,物質顯示波動的特性。因此原子或電子的不同狀態是各種不同的波及其疊加的空間分布,可呈現波的相干性。但當人們量測電子的狀態時,又只看到整顆電子在某一確定的位置,而不是波的分布形態及干擾現象,並且每次量測電子位置的結果都會不一樣(量子測不準關係),所以物質波是概率波,與我們所熟知的電磁波(含大量光子)、水波等現象不同。薛丁格曾用貓設計一個描述量子疊加態及概率的實驗:將一隻貓關在一個封閉無窗的盒子里,盒子里有放射性物質及一瓶毒氣,如果放射性物質發生衰變,會觸動機關打破毒氣瓶,則貓被毒死;如衰變沒發生,則貓可活下來。常識告訴我們這隻貓不是死了就是活著,量子疊加原理告訴我們這隻貓是又死又活,生死疊加。瓦恩蘭(David Wineland)和阿羅什(Serge Haroche)(兩位為2012年諾貝爾物理學獎得主)實驗上證明「這只薛丁格貓可以不活又不死」,此現象戲弄了物理學家及哲學家近一個世紀,這是量子物理較為怪異的現象之一。

另一更怪異的量子現象就是量子糾纏。量子糾纏,又被愛因斯坦稱為「鬼魅似遠距作用(Spooky action at a distance)」的怪現象:兩個處於量子糾纏的原子或電子,不管它們分開多遠,例如處在兩個不同的星球上,當人們量測其中一個原子的量子狀態時,處在另一星球上的原子的狀態會瞬時跟著改變。量子糾纏這種超距的神奇現象已在實驗上被證實,並且已在實驗室中不斷被製備,成為實現量子通訊及量子電腦最關鍵的要素。


利用量子疊加及糾纏設計電腦

那為什麼要以量子相干性及量子糾纏去設計新的電腦原理呢?智慧型手機或平板電腦等3C電子產品的核心部件是晶圓處理器。現在的手機或電腦中的一片拇指大的晶圓處理器含一個或多個有幾十億顆電晶體集成的電路(IC),用來處理我們每天需要或面對的各種資訊。在數位電路中,資訊數位化用二進制0與1來表示,稱為bit(位元)。電晶體作為一個電流開關元件,如將開的狀態定為1,關的狀態定為0,則成為一個操控0與1的物理數位元件。人們平時所說的半導體工業中的摩爾定律,就是英特爾(Intel)創始人之一──摩爾(Gordon Moore),在1965(1975)年提出(修正)的:單位尺寸晶圓內集成的電晶體數目約每(兩)年翻一倍,而其效能差不多也是每兩年翻一倍。因此人們希望將元件越做越小,從微米尺度到奈米尺度,每個晶片能容納的元件數越來越多,從而處理資訊的速度越來越快。過去半個世紀來,半導體工業及資訊科技的發展,基本上都能滿足摩爾定律。

可是,摩爾定律其實在10年前就已經遇到了瓶頸。雖然每個晶圓上的電晶體密度還是差不多每兩年翻一倍。但處理資訊的速度在過去10年並沒有顯著加快。具體而言如圖所顯示的,2000年英特爾(Intel)處理器Pentium 4上的集成電路含約4千萬個電晶體,其速度是1.5~3 GHz;2015年英特爾處理器Core i5含近20億個電晶體,其速度仍然是約3 GHz。換句話說,用15奈米的晶圓與用65奈米晶圓製作IC處理器,其速度是在同一個GHz數量級。今天的半導體工業在小型化上看上去成就非凡,但電腦效能的提昇已遭遇到難以克服的瓶頸。

有人將半導體技術發展遭遇的瓶頸歸結為兩大因素:當器件尺寸越做越少時會過熱,同時量子效果會浮現。但事實上,元件過熱及出現量子效應並不是主因,真正原因是用電極操控電流開關速度,或者說電子對外電場反應的時間在半導體材料中已到了極限:在奈秒量級。因此,用電晶體處理數位資訊的速度已經發揮到最大限度。

但當半導體資訊工業正走入絕境,新興的量子科技已出現。簡單地說,量子科技就是如何操控個別原子、電子、光子甚至原子核等的量子相干及量子糾纏行為。目前技術發展的核心就是「量子電腦」,傳統資訊處理器無與類比的新一代機器,已成為英特爾、IBM、微軟(Microsoft)及 Google等世界各大科技公司重點開發的下一代產品。在這個新科技的研發中,人們完全拋棄傳統資訊處理器的概念,即拋棄利用電晶體控制電流開關來實行數位化的手段,而是用量子疊加態來處理資訊的數位化(稱之為量子資訊),並用量子糾纏實現平行計算。

具體來說,用具有兩個獨立量子態的系統,像電子自旋或圖中兩個量子點的電荷態,作為處理量子資訊的基本元件,稱為「量子位元」。與古典位元不同,量子位元不僅存在類似傳統的0態與1態,還可以處在兩者的任意量子疊加態:α|0〉+β|1〉,這裡複數α和β的絕對值平方分別為量子位元處在0態與1態的概率,|〉是描述量子態的Dirac符號。這樣,兩個古典位元組成的傳統暫存器只能處在00、01、10、11四個狀態中的其中一個,而兩個量子位元組成的量子暫存器可以同時處在上述四個狀態。因此,普通電腦中n個位元只能處理2^n個狀態的其中一個,而n個量子位元可以同時處理2^n個狀態。假設人們分別製造一台有50個古典位元及50個量子位元的暫存器,傳統的暫存器在每個時刻只能表示2^50=1,125,899,906,842,624個狀態中的其中一個,而在量子暫存器中,這1,125,899,906,842,624個狀態可以同時存在,並且通過量子糾纏進行同時計算,實現真正的平行計算。


因此,科學家從1995年開始投入量子通訊及量子電腦的研發,並已取得了巨大的進展。在過去20年的研究中,人們已經在離子阱(trapped ions)、超導量子位元(superconducting qubit)、量子點(quantum dot)等多個物理系統中,實現並操控了數個至十幾個量子位元的量子相干及量子糾纏。今年10月份,英特爾才剛宣布製作出17個量子位元的超導量子晶片。IBM隨之宣布已成功研發出20個量子位元的超導量子電腦。同時,IBM還成功開發出一台50個量子位元的原型機。

量子電腦的巨大挑戰
理論上,一台50個量子位元的量子電腦就可以超越現在世界上最強的超級電腦的計算能力。然而,量子疊加態相當脆弱,量子相干性受環境的影響很容易遭到破壞,會在非常短的時間內產生所謂的退相干現象,從而失去量子效應。位於加拿大溫哥華附近的D-Wave公司是全球最早的量子電腦研發製造公司,去年他們研發的D-Wave II,其處理器含2000多個超導量子位元,計算能力與解決同一問題的傳統超級電腦比,快了1億倍,但只能專門用來解決單一問題,是一種做優化方法的機器,稱為量子退火機,並不是真正的量子電腦。研發通用的量子電腦首先要克服的難題是克服量子退相干問題。微軟公司10多年前就專注在拓撲(topology)量子電腦的研發上,因為拓撲量子態被認為可能不受退相干的影響,但至今單個拓撲量子位元的實驗還沒有實現。

雖然製造出通用的量子電腦面臨著巨大的挑戰,但隨著全球量子電腦研發能量的不斷加強,實用的量子電腦遲早會到來。那麼,這樣強大的量子電腦有什麼用呢?首先量子電腦可解決量子系統本身的複雜性問題。另外,現在的人工智能科技結合大數據及雲端網路,會對很多新興科技領域及新的商業模式開發提供新的動力,但人工智能需要強大的計算能力。量子電腦可將人工智能發揮到極致。再者,生命科學的研究在過去半個世紀取得了極為驚人的發展。從生命體內的細胞結構、基因結構,再到DNA結構,其基本的組成部分是分子與原子,本質上都應該滿足量子物理規則。知名物理學家戴森(Freeman Dyson)曾指出:人類的思維模式與量子世界的行為規則是如此的相像,因此人們最終希望了解生命的秘密、物種的變異、思維的奧妙等謎團,也許只有量子物理才能解開,而超越人類的人工智能,也許只有通過量子科技才能實現。量子電腦是否會將我們帶入一個全新的世界,讓我們拭目以待吧。但可以肯定的是,未來是量子的!

1 則留言:

YYC 提到...

量子電腦春暖花開
https://www.bnext.com.tw/article/47890/quantum-qubit-quantum-manifesto