量子電腦的技術發展備受重視,其強大的運算潛能,成為科學界與產業界關注焦點,也讓大眾對於這樣的新穎技術,抱持著很大的想像空間。

尤其最近兩年,我們不時就會看到量子運算新突破的消息,只是,到底目前這項技術發展到什麼樣的程度,大家可能還是一知半解,加上又傳出這將引發公鑰密碼系統遭到破解的危機,為了紓解這樣的不安,我們必須先了解到底量子電腦能做什麼。

過去,iThome報導的量子電腦動態大多是廠商消息,但學術界目前如何看待量子運算的進展?今年初舉行的第一屆後量子密碼論壇上,恰好有位學者講解了這方面議題,那就是中研院資科所博士鐘楷閔,主要研究領域是密碼學、複雜度理論與量子理論,當時他很精闢地介紹了量子電腦的應用面與發展現況,描繪出量子電腦的輪廓。

關於量子電腦(Quantum Computer),首先要回答一個最常被大家提出的問題:到底這個運算架構是否會取代傳統電腦?

鐘楷閔認為,以目前技術發展來看,其實並不會,而是各有各的任務,這就如同手機沒有取代電腦,記憶體沒有取代硬碟的情況,而量子電腦的特性,主要是針對解決特定的問題有優勢,並非無所不能。

對於量子電腦的能耐,鐘楷閔表示,要搞懂量子是什麼?為何可以拿它來做計算?這是一堂課時間都難以說清楚的事,大家需要先建立量子力學的背景知識,且坊間已有相關科普介紹,

不過,我們可以對於「量子力學」有一些些基本概念。簡單來說,這是一套描述微觀世界的物理理論,例如,在頭髮微觀之下,我們可看到1微米的物體,以DNA結構微觀下,我們可看到數十奈米,再小一點,進入原子等級的尺度,量子的神祕特性就會顯現。

關於這個特性,科學家想要加以妥善利用、做出厲害的事情,在1982年,諾貝爾物理學獎得主Richard Feynman提出量子電腦的構想,40年後,量子電腦已漸漸成為時下熱門的主題,這也表示如今已有階段性的成果。

儘管一般人要真正搞懂量子力學並不容易,但我們可以大致理解,量子疊加與量子糾纏就是其神秘特性之一,是量子位元本質上的非古典特性。換言之,在尺度不同的狀況下,我們所看到的現象,以及解釋方法,其實也會不太一樣,因此不像人們在生活範圍中可用古典物理來解釋。

【當今量子電腦需在接近零度環境運行】近年IBM曾公布自家量子電腦的照片,中研院資科所博士鐘楷閔表示,從圖中左邊照片可以看到其外觀,為什麼長這樣?他解釋,你可以想像它是個是溫度非常非常低的冰箱,而且,越低的位置越冷,而量子電腦核心本身仍是一個晶片,所謂的量子位元(QBIT)就藏在晶片裡面,而該晶片就是放在這個冰箱裡面最低溫的地方。(攝影/羅正漢)

已達到可進行運算任務的里程碑,但現階段的能力還很有限

從現在的量子電腦發展來看,已經達到什麼樣的成就?

簡單來說,現在發展到所謂量子霸權(Quantum Supremacy)的階段,也就是證明可真正運用量子電腦來進行一個運算任務。

不過,現階段的量子電腦運算力其實還非常小,鐘楷閔從近年的量子電腦研究成果來說明。

在2019年10月,Google在Nature期刊發表研究成果,宣布他們打造了54量子位元(qubit)的處理器Sycamore,引發全球關注。具體而言,這是一個53個量子位元的量子電腦,因為有1個量子位元是壞掉的,在Google特定實驗設計下,讓電腦進行20次指定的量子操作,實驗重複一百萬次,僅耗時200秒就能完成,

根據Google估計,若以當時普遍的超級電腦來運算相同任務,需要1萬年,而IBM也估計,若以當時全球最強超級電腦Summit也要耗時16天。

在2021年10月,中國打造的量子電腦「祖沖之號」亦有新進展,他們透過60個量子位元,進行24次的量子操作,進行的實驗任務比Google當時更難,只要4個多小時就能完成,而現今的古典超級電腦Summit要花4.8萬年。

對於這樣的成果,鐘楷閔提到幾個重點,我們歸納為4項。首先,從量子電腦發展來看,現在已經可以實際運用量子電腦進行一個運算任務,這展示了古典電腦做不到的事情,是科學發展上非常重要的里程碑。

第二,關於上述量子電腦實驗,其實僅是針對非常特定的問題來運算,因此,這並不表示「現在的量子電腦」,比「現在的超級電腦」快上千萬倍,而且,也不表示「祖沖之號」比「Google量子電腦」快上百萬倍,而是指在非常特定任務的運算上,量子電腦有很大優勢。而且,目前這些運算任務並無實用價值,主要目的是展現「量子霸權」。

第三,不論是53個量子位元,或是60個量子位元,這其實顯示出現在量子電腦還非常小。鐘楷閔舉例說明,以上述Google量子電腦而言,其實只能處理53位元的量子資訊,若用量子電腦來存資料的話,也就是53個0或1。這究竟有多小?以Intel在1970年推出的1103記憶體晶片來看,其容量是1KB,也就是1,024個位元。相較之下,現在的量子位元很小,而且若要實際發揮作用,還需要建構成邏輯量子位元。

第四,量子電腦的下一個里程碑,是要實現有用的運算任務,來達到真正具價值的量子霸權階段,目前科學家還在尋找短期內能實現的量子電腦實際應用。

 

量子電腦在計算特定問題上有優勢,它可以做什麼用?將量子電腦用於化學模擬研究,是一個應用面,例如可應用在農業領域中,改進化學肥料製造工藝。例如用於「固氮反應」的化學模擬,有機會改變現在高耗能的哈伯法制氨法,透過模擬細菌在常溫常壓下的固氮反應,以瞭解其原理,盼有助於改進哈伯法的能源損耗。

看好化學模擬的應用面,但量子破密帶來的風險也令人憂心

隨著量子電腦未來發展要具實用性,短期內可以帶來何種應用?鐘楷閔簡單舉出兩個潛在應用面向。

第一個,是在化學模擬方面的優勢。

以「固氮反應」為例,這是指製造肥料所需要的化學反應步驟,目前工業界催化固氮反應的關鍵是以哈伯法制氨,這個方法帶來不錯的產量,但缺點是需要在高溫高壓下進行,因此,耗用相當多的能量,甚至全球總能源耗損有不小比例是用於肥料生產。

量子電腦之所以有機會在化學模擬帶來幫助,是因為除了哈伯法制氨,科學家們還知道另一個做法,是細菌本身就有固氮反應的能力,可在常溫常壓下進行制氨,但目前的超級電腦無法有效模擬其固氮反應,而在微軟科學家的計算中,中等規模的量子電腦將能破解其奧秘。

第二個,是在數學難題快速計算方面的優勢。

以質因數分解為例,這並不像兩數相乘、乘法公式那樣簡單,而是反過來將一個整數,拆解成兩個相乘的質數。

事實上,過去我們並未學過質因數分解的相關公式,而不能快速解題,非對稱密碼系統之所以有保護,其實也多仰賴「因數分解」等數學難題的困難性。超大整數的質因數分解,即便現在超級電腦的運算能力,也無法在夠短時間完成破解。

但在1994年,數學家Peter Shor提出了可解質因數分解的量子演算法,該演算法稱之為Shor's Algorithm,讓電腦能在合理時間內完成破解,只是早年量子電腦仍在發展,還不構成威脅。

但隨著量子電腦的發展,目前估計,以RSA 2048標準來看,可以被6000個邏輯量子位元的大型量子電腦破解,也因此,近年我們看到美國NIST舉行後量子密碼標準化競賽,就是希望及早因應未來將面對的問題,將現在安全、未來卻不夠安全的RSA、ECC等非對稱加密演算法替換掉。

基本上,這裡只是舉出量子電腦可應用發揮的兩個例子,還有許多關切的應用領域與場景,但至少讓我們可以簡單瞭解它的能力。

現階段的量子電腦其實還非常小,根據IBM公布的量子電腦開發藍圖,如今才127個量子位元,只能進行特定且無用的運算任務,但預估每年會以2到3倍速度成長,比古典電腦摩爾定律還快。(圖片來源/IBM、鐘楷閔)

邏輯量子位元才是關鍵,一旦搞混很容易誤解量子電腦的能力

雖然當今的量子電腦運算力還非常小,不過,其研發速度與面臨的跳戰也備受各界關注。

以IBM近年公布的量子電腦開發藍圖為例,鐘楷閔指出,量子位元將以每年以2到3倍成長,在2019年到2021年時,量子位元數量已從27個,成長至65個、127個,估計2022年將增為433個,2023年將增為1121個。

另一家量子運算新創企業IonQ,雖然進展較慢,在2021年的量子位元為22個,但預估2024年後,也是每年以1.5到4倍來成長。

值得關注的是,除了量子位元,發展邏輯量子位元的挑戰更是重要,因為這更是理解量子電腦能力的關鍵。目前邏輯量子位元還無法實現,或是要等相關技術有所突破,由於一般科普可能省略這樣的細節,容易讓外界誤解其運算能力。

鐘楷閔指出,實際上,量子位元很容易受環境影響,這使得操作量子位元的錯誤率高,因此,需要將多個量子位元組成邏輯量子位元,並搭配量子錯誤更正碼的機制,來建構一個可持續運算的邏輯量子位元。

根據量子計算的閾值定理,當量子邏輯閘的錯誤率小於約0.001%,我們就可使用約1000個量子位元,來實現1個邏輯量子位元。因此,有時我們看到一些研究報告列出的預估Qubits,其實指的是邏輯量子位元,而這也意味著,需要更多實際量子位元來實現,以上例來說也就是要乘上1000倍,才是真正所需的量子位元。

在美國國家科學院院刊上,多名微軟科學家曾在2017年發表一項研究,曾計算出固氮反應需要的量子電腦規模,鐘楷閔表示,根據他們計算出的結果,細菌的固氮反應可在中等規模的量子電腦中被模擬,同時他也特別強調一件事,圖中表格內所列出的Qubits,指的是「邏輯量子位元」,因此需要更多實際量子位元來實現。(圖片來源:擷取自PNAS「Elucidating reaction mechanisms on quantum computers」研究報告


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