量子霸權與量子處理器，可能取代CPU / GP - 工程師

[情報] 量子霸權與量子處理器，可能取代CPU / GP

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最近很熱門的話題--量子電腦或量子霸權(quantum supremacy)，一種以量子位元
(qubits)為運算單元之量子處理器，成為AI人工智慧運作的新材料選項，也是企圖未來取
代現在超級電腦。量子電腦將對社會經濟產生變革性影響，但可能仍須幾十年的時間才會
實現。所謂量子霸權，外界相信量子運算機器有朝一日將能解決傳統電腦無法解決的問題
。

谷歌(Google)認為量子霸權(quantum supremacy)時代近了。但這真正的意義，不在於量
子位元(qubit)的數量，而是你要用它來做甚麼。72或許不是一個大數字，但是從量子計
算(quantum computing)的角度來說，這個數目非常龐大。就在2018年3月初，谷歌發表了
具有72量子位元的量子處理晶片Bristlecone。[註] 量子位元(quantum bits, or
qubits)是量子處理器的基本計算單位。前記錄保持者是去年IBM宣布的一款50量子位元處
理器。

谷歌Bristlecone保留了先前發表之9量子位元線性陣列技術的物理結構，只是擴大成72個
量子位元，它最佳的讀取錯誤率為1%，單量子位元閘的錯誤率是0.1%，雙量子位元閘的錯
誤率為0.6%。谷歌該專案負責人John Martinis說，仍然需要進行更多的測試，目標是隨
著量子位元增加的同時，藉由可靠的糾錯能力來降低錯誤率。 但認為這款新晶片“很有
可能”在今年或在短短的幾個月內實現“量子霸權”，就是量子電腦能夠進行快速運算並
超越當今最快超級電腦。

當谷歌或其他團隊宣告量子處理晶片成功時，預期，量子電腦(Quantum computers)可以
幫助我們發現新的藥物並創造新的材料，以及將密碼學(cryptography)翻轉。然而，也有
量子專家持反面態度，例如：牛津大學的量子專家Simon Benjamin表示，”量子霸權”
有點令人困惑，並且超出了量子電腦能夠做到的事情。

量子基礎材料
量子電腦與傳統電腦在於將訊息儲存為1或0的位元不同，量子位元可以同時存在1和0的多
個狀態，這種現象稱為疊加(superposition)。即使它們沒有物理連接，它們也可以透過
被稱為糾纏(entanglement)的過程來相互影響。

這可歸結為即使少量的額外位元對傳統電腦功率只有微小的差別，但為量子處理器增加額
外的量子位元可以指數性(exponentially)增加其計算能力。理論上來說，即使是當今最
強大的超級電腦也比不上量子位元的處理速度。

然而，製造量子位元需要巨大的工程技術，比如建造超導電路以保持比外太空還冷的溫度
（Google使用的方法）。這是使他們與外界隔離的必要條件。溫度或最輕微的振動現象(
稱為“噪聲”)的變化可能導致量子“退相干擾(decohere)”，或失去其脆弱的量子狀態
。發生這種情況時，錯誤會迅速蔓延到計算結果中。

當量子位元數越多，錯誤就越多。當然可以使用額外的量子位元或智慧軟體來校正，但是
這也會損害機器的大量計算能力。在過去的幾年裡，先進的超冷卻(super-cooling)技術
和其他領域的進步，因而提高了量子位元有效管理。但仍然在電力與複雜性之間如何取得
平衡而持續戰鬥。

過去，研究人員認為49量子位元機器就足夠了，但去年(2017) IBM的研究人員能夠在傳統
電腦上模擬49量子位元量子系統。傳統電腦也依然在發展，特別是中國一直投入巨資在技
術研發，現在擁有世界上最強大的兩台超級電腦，利用較佳的演算法結合電腦企圖想改變
處理晶片的霸權門檻。

Google Bristlecone重要時刻
此時，Google推出Bristlecone的72量子位元處理晶片。Google團隊使用Bristlecone計劃
進行一項試圖證明量子霸權的測試。標準檢查程式(benchmark)的嚴格定義是傳統電腦無
法執行任務。但是這也發生一個棘手的問題：如果一個量子電腦無法使用矽位元
(silicon bits)晶片檢查它，你怎麼知道量子電腦是否產生了正確答案？為了解決這個問
題，谷歌團隊計劃走到最前沿(the edge)，使用量子機器來解決目前超級電腦能力極限的
算法，然後再增加一個量子位元就可以使量子設備遠遠超出傳統機器，在兩者皆合理時間
內，進行模擬測試。

量子位元處理器之未來
儘管，量子位元處理器的複雜性和成本將限制它們的實用性，基於更經濟的選擇。例如：
使用量子機器就像殺雞用牛刀一樣。所以，反而更應該討論“量子獨特性(quantum
inimitability)”，換句話說只有量子電腦才能做的具體任務，而不是“量子霸權”或”
量子優勢”。

然而，隨著AI技術起飛，量子技術在創投圈及新創公司之間成為炒作議題。其實，期望值
越高，量子機器的無法實現成為一種風險，這可能會引發投資者的流失及新創企業的正常
成長。

該名詞quantum supremacy(量子霸權)於2011年加州理工學院理論物理學家John Preskill
在的演講中創造了這個詞。今年(2018)1月，他發表了一篇論文，他說量子計算即將進入
NISQ的階段，就是“量子噪聲中間階段 (noisy intermediate stage quantum)”，其中
，量子機器將具有50至幾百個量子位元，“噪聲”意味著我們對這些量子的控制不完善，
這種噪音將會嚴重限制量子機器在短期內能夠實現的目標。Preskill說，他仍然相信量子
電腦將對社會經濟產生變革性影響，但仍然“可能還有幾十年的時間”才會實現。尤其，
噪聲是一個很大問題待解決。

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