量子计算机到底多强大?从量子运算看清楚它们的能力

Posted 2021-01-24

量子计算机挟着其强大指令周期和能力的潜能，使得全球科学界和产业界（Google, IBM, Microsoft, Intel 等）竞相投入7。虽然目前仍在理论实践和可操作原型发展阶段，近年的技术突破似乎使得每年都「即将成功」的量子计算机真正更接近商业化应用。在今日知识经济和全球化竞争的时代，运算能力即是国家和企业的竞争力，因此量子计算机在近年频频被各国视为重点发展技术，许多科技趋势报告也将其列为年度突破。国研院科政中心之前已经对各国的量子技术发展策略和中国台湾的研发现况撰写专文讨论（编按：参见英国量子技术发展战略、第二次量子革命启动）。本文将更新近期技术发展趋势和讨论量子计算机未来对社会可能造成的冲击。

什么是「量子运算」？从基本原理谈起
量子位（qubit）是量子计算机最基本的运算单元，为了使量子位能够被运用，量子必须达到量子迭加（quantum superposition）和量子纠缠状态（quantum entanglement）：即单一量子须同时处于两种物理状态，且两个量子间需形成联结，使得两个量子即使不处于同一个空间，却可以实时互相影响，才能做为量子运算基本单元17。量子可以是电子、离子或光子，只要能够达到迭加和纠缠状态就可以做为量子位，量子位的读写可透过微波、磁脉冲或雷射。目前主流的五种量子运算方式有硅自旋量子、离子阱、超导回路、钻石空位和拓朴量子。量子迭加可以用丢掷硬币比喻：硬币可为头像（1）或反面（0）就如同传统的位，将硬币掷到空中转动时，硬币不停在头像和反面转换，在空中旋转时就像是同时为 1 和 0，只有真正落下后才知道最后落在那一面。以电子做为量子为例，电子自旋向下时能量最低为 0，可利用特定频率的微波脉冲加热电子，使电子获得能量后自旋向上，写为 1，若将量子置于硅晶体电极中，就可以量测到电流获知量子的状态。

那么又如何达成量子纠缠状态？若以光子为例，科学家可以用雷射产生大量光子射入两层超薄，相性相反的非线性晶体，当光子通过非线性晶体时，偶尔会产生成对的光子，由于两层晶体相位相反，产生的光子极性相反，可能为垂直或是水平，又因为晶体极薄，光子的相位是垂直或水平，只有在量测时可以得知，而且这对光子的相位一个若为垂直，另一个就必为水平，反之亦然，此时这对光子的状态就称为量子纠缠状态。由于量子位的迭加和纠缠特性，使得量子位可以不像传统计算机位只能为 0 或 1，而是能够同时为 0 和 1，此特性使量子位的运算能力增加，量子计算机得以进行大量数据的平行运算。

量子计算机为何比传统计算机强大？
如前所述，量子计算机不像传统计算机，运算步骤被位数限制。如果想找出 4 位（可为 0 或 1）组合中某一组数字，传统计算机最多需要尝试到 16 次，平均需要尝试 8 次；如果想找出 20 字节合的其中一组数字，最多需要尝试到约一百万次运算步骤。由此可知传统计算机在解决这类问题时，尝试的次数和所欲搜寻的数字可能组数呈线性关系，当所运算的可能性呈指数成长时，即使是超级计算机，所需要的运算时间将长到无法实际用来解决问题。量子运算由于其特殊的量子特性，在上述的 4 字节合数字问题，量子运算可以在 4 次运算后直接得到 16 种可能情形中的解答，在 1000 次运算后即可找出 20 字节合，一百万个可能的其中一组特定数字，运算次数只需可能情形总数的平方根，满足指数型的复杂运算需求。要发展量子运算，还有哪些技术挑战？
（一）稳定量子态的维持
细致的量子态十分容易受到振动或电磁场，甚至一般热扰动的干扰，所以现在的量子计算机需要在接近绝对零度的超低温度操作8。目前主要的技术瓶颈除了增加量子位数之外，就是如何维持稳定量子态，使量子维持在某个量子态时间（相干时间，coherence time）够长，足以完成运算工作并增加运算正确率。其中微软的研究团队正尝试操纵 2012 年才被发现的「准粒子」，用编辫子纠结方式，使量子位可以抵抗外界干扰，让量子位和绳结一样稳定，如此一来，量子计算机的运算能力就不用再被大量浪费在更正错误上17。

（二）量子位的可扩充性
另一个使量子计算机能够进入实际应用的关键，是量子位的可扩充性，现行主流量子运算技术之一的硅自旋量子，就是由于可以利用已经十分成熟的半导体技术，具有和现行计算机兼容性，且被认为未来容易向上扩充，而吸引英特尔和其他研究人员投入研发。普林斯顿大学的实验室近期在硅量子组件上有关键性的技术突破15，制造出能够准确控制两个电子之间量子行为，以硅为材料的组件，且错误率极低。这个突破性的量子位逻辑闸，由高度有序排列的硅晶体构成，晶体上布有数十奈米的氧化铝线，用来递送电压，将两个被能阶隔开的电子困在特定的量子点，再利用短暂的降低能阶隔阂，使两个电子能够互相交换信息，达到量子纠缠状态。这项研究是第一次在硅材料中成功达到量子纠缠。研究人员可以利用磁场控制量子位行为，目前控制电子量子态稳定度达 99%，而逻辑闸的可靠度达到 75%，这项技术除了具有可扩充性，错误率在未来还可能再下降。

（三）量子软件研发
除此之外，为了使量子计算机真正发挥效能，专家们认为应该同步开发量子软件20。量子运算程序的复杂度和难度源于量子计算机的本质，运算时将带有一定程度的噪声，所以程序设计时必需将量子计算机的物理原理和位限制纳入考虑，需要先预建噪声仿真模型，以处理操作正确性的问题。而早期发展出的量子计算机由于运算硬件设计尚未统一，将具有不同性质的细微差别，软件需要一定程度的客制化。运算的高复杂度也将带动新的算法和开发工具的需求，量子计算机软件设计人员需具备深厚的物理、数学和软件工程知识，跨领域、对各领域有深度知识的人才培育将会是软件研发的关键，同时许多量子软件都有开源式社群开发平台，以群策群力结合资源加速早期软件开发速度。

量子计算机发展现况
目前最早实际被投入应用的量子计算机由 5 个量子位构成，由 IBM 研发，采用的是超导回路技术，IBM 并在 2017 年底开始提供 20 位的商业化云端量子运算服务。而 50 个量子位是一个深具意义的里程碑，这代表着超越现有任何超级计算机可以达到的运算能力，象征量子优越（quantum supremacy）时代的来临，目前 IBM 已十分接近这个目标，建造出 50 量子位的原型机4，Google 的团队也紧追在后，2017 年 11 月的自然期刊中，麻省理工学院、哈佛、加州理工学院的合作团队和马里兰大学的量子运算中心也分别用不同的技术达到 50 个量子位的运算系统；大陆在 2017 年底宣布将投资一百亿美元成立新的量子计算机中心，预计在 2020 年开始运作5，日本也加入国际量子竞赛，宣布免费提供量子类神经网络服务，并将投资 2 亿 6 千 7 百万美元，在 2018 年开始十年量子研发计划。

虽然由于量子计算机特性，无法储存信息和运算结果，加上体积和所需要的硬件维护人员及费用高昂，在可见的未来都将与传统计算机结合透过云端提供运算服务，现在的量子计算机确实已经即将从实验室步入实际应用，预备颠覆创新材料制造、化学制药、人工智能、网络安全和金融科技的领域。

量子计算机未来普及，将对社会带来哪些改变与冲击？
（一）量子计算机和人工智能的结合
量子计算机的强项在于随机数生成、寻找未排序数列的最小值、解决图论中的节点连结问题、特征吻合等，科学家已经设计出多种量子算法，来解决传统计算机不易解决的问题。其中 2008 年由三位科学家 Harrow、 Hassidim 和 Lloyd 发明的量子算法 HHL，能够快速解决多自由度，庞大的线性代数问题；而机器学习正好大量倚重这类型的大量线性代数运算，因此专家们很快就开始试图将量子算法和机器学习结合，机器学习是少数在量子计算机发展早期就有机会找到利基的领域。部分信息参考来源：http://partner.henkel.com.cn/local/index.php

虽然短期内传统的机器学习仍会较早开始实际应用在交通、医学和金融市场，量子系统在产生真正随机数和处理非传统二进制式数据会时将占有较大的优势，例如传统常应用于金融市场的蒙地卡罗机器学习算法，需要产生真正的随机数才能有最佳表现，此时量子计算机的长处就可以被展现。许多量子机器学习新创公司已经开始研发如何利用量子系统加速机器学习，其市场潜能也吸引了许多资金投入。

（二）量子计算机在化学和制药的应用

一般专家普遍认为，化学将是量子运算最强且最立即的应用。量子计算机将可以用来帮助设计干净能源所需要的催化剂，了解生物体内的酵素，发现新的太阳能电池材料或高温超导体材料。它的优势在于超乎现有传统计算机的强大运算能力，足以真正仿真和创造复杂的电子和分子互动模型。

一般进行化学反应模拟时，由于需了解各分子所含原子彼此间互动情形，需计算各原子的电子互动能量，包含所有电子的位置和能阶（即轨域）。现有的传统计算机在 125 个轨域时，就需要超出宇宙所有原子数量的记亿体来储存所有的信息，实际上无法处理如此大量复杂的资料和运算，因此现在的量子化学家在建模型时，常必须故意省略某些电子的行为特性，尤其是电子间强烈互动的情形。这种近似算法在仿真有机化学分子时是可以接受的，但是在金属分子这种大量电子挤在极小空间的例子，电子间的强互动却正是它的本质，被忽略就无法真正了解实际的化学原理。类似无法被简化的传统方式模拟的例子还有高温超导体材料、含金属的酵素活性位点等。

然而量子位的迭加特性使量子计算机能够轻松完成这类运算，对新药和新材料研发做出极大的贡献，一旦技术成熟，新药的研发前期将可透过量子计算机仿真化合物结构和生物体内酵素或受器的交互作用，对疗效和副作用做较佳的预测，减少研发时间和成本，熟悉并且了解如何利用量子运算的厂商在新药设计就会占有先机。

（三）量子计算机对比特币市场和区块链安全的威胁
虚拟货币比特币和其他使用区块链技术之应用的安全性，在于其加密的强度很高，不容易被传统计算机破解，当擅长于复杂运算及密码破解的量子计算机技术渐趋成熟，会不会对这些应用产生威胁？例如现行的比特币协议，利用生成一个特定的随机数（nonce）做为新区块链生成的必要条件之一，而生成这个随机数需要大量的计算能力，矿工挖矿就是提供计算能力，并获得比特币做为奖励。然而偶尔会有两组矿工同时宣告两个不同的区块，此时比特币协议会以已完成较多运算的区块为主，抛弃另一个落后的区块，这会导致网络中拥有多数运算能力的矿工永远获得下一个区块，成为控制比特币账簿的主宰。如果量子计算机加入挖矿的行列，并且展现出压倒性超出其他矿工的计算能力，整个比特币市场就可能瓦解。×××大学的研究人员针对这个可能，对未来十年量子计算机运算能力的预测和目前用来挖矿的电路运算能力成长做比较；结果发现，未来十年内现有的硬件还能够在速度上占有优势，量子计算机主宰比特币挖矿的情况应该不至于马上发生。

然而比特币的另一个安全协议特征，椭圆曲线数字签名（elliptic curve signature）却可能更快在量子运算下暴露出弱点，比特币的拥有者会握有一个私有密钥和发布一个公开密钥，在不公布私有密钥的情形下，利用公开密钥来证明自己是这个比特币的拥有者，而公开密钥可以很容易的由私有密钥生成，反之则不然。虽然传统计算机很难透过公开密钥算出私有密钥，对量子计算机来说却很容易，研究人员估计在 2027 年这项安全协议就可能会被破解。

虽然比特币和其他虚拟货币还未真正普及，但其交易热度和市场接受度日渐增加，在金融市场逐渐开始接受和尝试奠基于密码保护的数字化交易平台时，量子运算技术对区块链的威胁和未来金融市场的冲击不可小觑，在可见的未来，这场矛与盾的对决将随着量子运算渐趋成熟，和区块链技术的普及化越来越激烈。

结语：量子计算机的未来，企业与国家的挑战IBM 推出的 20 量子位的商业化云端量子运算服务，是量子计算机的重大里程碑，象征着量子运算时代的曙光乍现，有些分析指出最快 2 到 5 年内，量子运算会开始进入实质企业应用。如前文所述，也许量子计算机初期的应用是在于特定领域解决特定的问题，同时需搭配传统计算机作为运算升级之用，但仍然具有极大潜在的商业机会或是风险。如同人工智能的快速发展，一旦量子计算机起飞，企业和国家如何因应和准备，找到利基，建立差异化优势，又如何预应风险，例如发展不受量子运算破解的加密方式，维护数据安全等，都需要全方位的整体性思考及规画。