• 宇宙迷宮│各國爭相研發量子電腦 (李偉才)
  • 2020-10-31    

  • 宇宙迷宮│各國爭相研發量子電腦 (李偉才)

 

2019年10月,尖端科技界巨擘谷哥(Google)宣稱在「量子電腦」(quantum computer)的研發上取得突破性的進展,引發了一陣子哄動。雖然不少學者旋即指出,所謂「突破性」有點言過其實,而我們離製成第一部量子電腦仍然非常遙遠,但這則新聞已令公眾對這項尖端科技產生濃厚興趣。

今年10月16日,中共總書記習近平主持中央政治局會議,高調提出必須加快量子科技的發展。顯然,這方面的發展,已經成為了全球大國角力的「兵家必爭之地」。

哪麼什麼是量子科技呢?

量子科技大致可分為「量子計算」(quantum computing)和「量子通訊」(quantum communications)兩大領域。今天,讓我們先看看「量子計算」/「量子電腦」是什麼回事。

傳統的電腦(電子計算機)用以進行運算的單元是數學上的0 和 1,我們又稱為「位元」(bit,音譯「比特」)。在傳統電路設計上,位元的數值是「非零即一」和「非一即零」。

突破始於1994年。美國麻省理工大學的數學家彼得‧秀爾(Peter Shor)發表了「秀爾演算化」(Shor algorithm),指出利用超微觀世界裡的量子特性,我們可以透過「量子比特」(qubit,是quantum bit的縮寫)來進行運算。這種運算的速度之高,會令傳統電腦的速度有如人手操作的算盤般慢。

背後的原因,是「或然性」(probabilism)乃量子世界的本質,所以「量子比特」的數值可以同時是「零」和「一」,只要兩者的或然率(probability)疊加起來不超過100% 即可。舉例說,一個量子比特的數值可以是「70% 的1 加 30%的 0」、「60%的 1 加 4% 的0」或「50%的 1加 50% 的0」等等的疊加(superposition)結果。除此之外,量子態(quantum state)還包含著「相位」(phase)的特性,令運算的威力進一步提高。

傳統電腦運算的一大課題是錯誤的檢測和糾正(error detection and correction)。稍為諗過電腦科學的朋友,都知道解決的方法是「奇偶校驗」(parity check)。然而,由於量子世界不容許位元的直接複製(「不可克隆原理」,No-cloning Theorem),所以這個傳統方法無用武之地。科學家想到的,是利用「量子糾纏」現象(quantum entanglement)來進行驗證。(因篇幅關係,筆者無法進一步解釋什麼是「量子糾纏」。)

「糾纏驗證法」在理論上是可行的,但在實際上則困難重重,這是因為「量子糾纏」是一種非常不穩定的連繫,極其輕微的雜訊干擾(noise disturbance)即會引至「量子退相干」(quantum decoherence)而「糾纏」消失。如何維持「糾纏」並使它成為一項有效的錯誤驗證法,是建造「量子電腦」的一項首要課題。

「量子電腦」的戰略意義在於,它的超高速運算能力,可以將今天所有電腦通訊的保密系統擊破。這是因為,現有基於「公開密鑰加密」(public-key encryption)原理的系統之所以固若金湯,是破解時需要將一個龐大數字進行「因子分解」(factorisation,例如將15 分解為兩個質數 3 和5的乘積),而以傳統的電腦,這種分解所需的運算時間,會較宇宙的年齡還要長。但「量子電腦」一旦成為現實,這種分解將成為家常便飯。

「量子電腦」何時能夠面世?面世後又會帶來什麼衝擊?這些都是我們拭目以待的。

李偉才

科普達人

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