Google、Intel、IBM與微軟搶著研發,量子電腦的魅力究竟在哪?

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IBM量子電腦
圖片來源:IBM

電影《蟻人與黃蜂女》中有一段對於量子技術的敘述:「忘記奈米技術、人工智慧、密碼貨幣,他們在量子技術面都不值一提。」不只是電影中的場景,現實世界中,Google、Intel、IBM、微軟等科技巨頭都投入大量資源,試圖搶占量子電腦的話語權。因為這些小小的光子、原子所撼動的,是所有人類息息相關的未來。

「量子電腦座落在2.3公尺高的玻璃框架內,看起來就像是一件藝術品。」媒體讚嘆著。2019年CES展中,IBM展示了全球第一台商用量子電腦IBM Q System One,讓外界對於IBM量子電腦的真實樣貌與美麗外型留下深刻印象。

IBM還預計在美國紐約開設「量子運算中心」,成為世界上少數幾個擁有營運量子運算技術能力、基礎設施和專業知識的地方。

第一章‧濫觴——摩爾定律的瓶頸

在量子電腦真正大量進入我們的生活前,倒是先進入了電影與小說場域。以《達文西密碼》聞名全球的推理小說家丹布朗(Dan Brown)2017年作品《起源》,就提到科技怪客艾德蒙以量子電腦運算出生命起源;2018年漫威電影《蟻人與黃蜂女》與今年的《復仇者聯盟4》也都以量子領域為重要的故事元素。
  
不過,以量子特性打造出的電腦,並非僅能出現在科幻電影之中,事實上量子晶片雛形已經出現在地球上了,領航者包括IBM、Google與Intel等科技巨擘,也有D-wave等新創公司。
  
量子電腦也是歐美政府相當重視的技術。2016年,歐盟發表了量子宣言(Quantum Manifesto),啟動量子技術旗艦計畫;創業風氣盛行的美國矽谷,量子電腦就是當紅的投資題目,中國則是發射了量子科學實驗用衛星墨子號上太空。台灣科技部編入每年7,000萬元預算到量子電腦基礎研究,以培養未來的人才。
  
各國重視的原因,在於這將是量子力學的二次革命,「1957年電晶體的發明(帶動現代半導體產業蓬勃發展),只用到簡單的量子力學,現在的量子電腦,利用量子的糾纏性與疊加性等物理現象,帶動量子力學的第二次革命。」台大IBM量子電腦中心主任張慶瑞在「科創講堂」演講中指出。(詳見P.50)     
理論上,這個革命可以帶來龐大的運算威力,因為在相同位元數比較之下,量子電腦的運算速度是傳統電腦的2的n次方。也就是說,在短短幾秒中,量子電腦就能解開現在超級電腦要花上幾萬年才能解開的問題,快如閃電。

一台擁有50量子位元的量子電腦,可以超越世界上最強的超級電腦運算力!也就是說,超級電腦得花幾萬年解開的問題量子電腦只要幾秒鐘。
一台擁有50量子位元的量子電腦,可以超越世界上最強的超級電腦運算力!也就是說,超級電腦得花幾萬年解開的問題量子電腦只要幾秒鐘。 圖片來源: IBM

「量子電腦的威力將等同於二戰時的核彈技術。」美國右派智庫明言。雖然,量子電腦還在初步發展,就算是樂觀估計,都還需要5年以上的發展時間,才會大量地展開商業應用,但量子電腦龐大的運算威力可能對國防安全帶來毀滅性的影響,讓各國政府不敢小覷。

到底量子運算是什麼?成大物理系特聘教授張為民在〈量子科技時代的來臨〉一文指出,「在量子科技的世界中,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,而是用量子疊加態處理資訊的數位化,並用量子糾纏實現平行計算。」
  
量子糾纏的特性比光速還要快,還被愛因斯坦形容為「鬼魅似的遠距作用(Spooky action at a distance)」,因而增添不少玄妙色彩。除了國防安全需求,量子電腦的熱潮也與半導體界著名預測:摩爾定律(Moore’s law)的瓶頸有關。
  
摩爾定律為Intel創辦人之一摩爾(Gordon Moore)在1965年提出,內容為積體電路中的電晶體數目,每隔12個月就會增加1倍;而後摩爾修正了模型,改為單位面積晶片上的電晶體數量每2年就能增加1倍。

若換算為成本,意指即每隔2年,積體電路成本可降低5成。不僅Intel,整個全球半導體業在這50多年來,大致依循摩爾定律增加電晶體的數目。

不過,電晶體未來可能遭遇到物理瓶頸,台大電機系副教授李峻霣指出,「隨著摩爾定律的進展,電晶體越變越小,其氧化層亦會越來越薄……有可能產生閘極漏電流,影響原本的電晶體效能。」此外,業界也擔憂晶片製造成本過於昂貴的問題。
  

圖片來源:IBM

雖然,摩爾定律僅是一個技術發展預測,不是嚴謹的科學定律,但也讓人不禁想問,摩爾定律過完50歲生日後,還能繼續走多遠?
  
摩爾定律的極限,讓半導體業者從3D晶片設計、石墨烯等矽材料替代品與矽光子元件等各種方向,找尋電腦晶片的未來,量子電腦也是新方向之一。業界探討,或許量子電腦有可能解決摩爾定律的瓶頸。
  
「摩爾定律最大的意義是成為全世界半導體公司的監督者。」台積電創辦人張忠謀指出。台大電機系副教授李峻霣在〈淺談電晶體〉一文中也贊同,「摩爾定律引領美、日、台、韓等國這50年來的半導體技術走向,驅使全球半導體工業甚至學術界不斷研究半導體特性、元件物理與製作技術。」
  
不過張忠謀預測,「摩爾定律在技術上可行,電晶體密度還是會翻倍增加,可以持續到2030年,但業界會在2030年前就會先遭受到『經濟成本』太高的挑戰。」

國際研究暨顧問機構Gartner曾統計,以7奈米技術而言,SoC(系統單晶片)的總設計成本將增加至2億美元。

「如果10奈米晶片產量低於1,000萬片,分攤到每個晶片成本就高達100美元。以此推估七奈米以下製程,若良率與產出無法提升,單顆晶片成本將十分高昂。」工研院產科國際所產業分析師劉美君坦言。
  
至於量子電腦與古典電腦的運算力差異有多大?台灣大學IBM量子電腦中心主任張慶瑞在一場演講中舉例說明,「如果每次走1公尺,走30次後可以走多遠?

傳統電腦的走法是1×30,結果是30公尺;量子電腦則是2的30次方,約等於繞地球26圈。這種『指數增長』便是量子電腦的威力。」
  
從理論上來看,一台50個量子位元的量子電腦,就能超越世界上最強的超級電腦運算力!量子電腦可能帶來的極大運算力,已經成為Intel、IBM、Google及微軟(Microsoft)等世界科技巨頭競相研發的領域。

第二章‧科技巨頭競賽——Google取得先機

量子位元數量是這些公司的競逐重點。Google目前研發出72量子位元數晶片Bristlecone(狐尾松),成為現今量子位元數最高的紀錄保持人,而Intel與IBM則分別以49個與50個量子位元緊追在後。

在2019的CES大會上,IBM還發表20個位元的量子電腦IBM Q System One,並宣布將在2019年於紐約開設首個IBM Q量子運算中心。 

目前量子電腦還在非常初期的研究階段,外界對於量子電腦的終極影響力還不清楚,較為具體的認知是可能對於「製藥動力學」、「機器學習」等領域帶來革命性影響。在眾多領域當中,業界已經公認量子電腦在加解密領域將帶來巨大的影響。
  
科技部前瞻量子科技研究中心計畫主持人、清華大學物理系教授牟中瑜指出,量子電腦還在研究初期,因此業界都在找尋什麼樣的問題適合用量子電腦?「量子電腦並非無所不能,量子電腦和我們手邊的電腦系統完全不同,要針對『特別的』問題才有優勢。就像我們不會使用超級電腦做極為簡單的加減乘除一樣。」
  
哪些特別的問題呢?目前已經有量子因式分解演算法(Shor’s algorithm)證明,可以運用量子電腦有效地進行大數值的因式分解,與量子搜尋演算法(Grover’s algorithm)等演算法出現,讓量子電腦目前在這兩大應用領域中充滿優勢。
  
「Shor量子因式分解演算法是以量子力學為工作原理,與古典演算法的邏輯完全不一樣。」台大物理系教授管希聖在〈淺談量子資訊與量子計算〉一文中寫到,「以因式分解一個300位數的半質數為例,若以古典的演算法約需要10的24次方個步驟,以運算速度為10的12次方Hz的電腦計算,若每一步驟需要一個周期,則需要15萬年解決,但若以量子的演算法去做因式分解,則不到一秒!⋯⋯而Grover的量子搜尋演算法之搜尋次數則只需要約古典演算法搜尋次數的平方根。所以同樣一個問題,古典演算法需要約數十萬次的搜尋次數,而量子演算法只需約一千次。」
 

量子電腦和傳統電腦在元件上有很大差異,首先量子電腦需要微波發射器或電磁脈衝發射器,發射微波或電磁脈衝,再利用超導材料作為線材傳遞訊號,並且回收訊號進行運算測量。

其次,量子晶片需要放置在接近絕對零度的冷卻器中。第三,現今的傳統電腦晶片需要和記憶體協作分工才能完成計算任務,但量子電腦的計算流程中,不一定需要記憶體。在造價方面,以清大實驗室的2位元量子電腦為例,總經費(不含晶片製造成本)約為3,000萬元,最昂貴的就是大型冷卻器,成本約1,500萬元,占總費用一半。

1)_冷卻塔 2)_微波發射器與電磁脈衝發射器
圖片來源:Shutterstock
3)_2位元電子晶片
圖片來源:Shutterstock
4)_超導管線
圖片來源:Shutterstock

「我們生活中普遍使用的RSA密碼就是植基於『將很大的數字N作質因數分解是困難的』這件事,但Shor量子演算法將質因數分解變得非常容易。因此量子電腦將對RSA加解密系統帶來毀滅性影響。」趨勢科技資安研究群核心技術部資深協理張裕敏指出。

若業界真正製造出量子電腦,並且利用量子驗算法快速破解因式分解,那現今我們用的RSA加密就形成虛設,這也是為什麼軍事國防、金融及資安業,對於Shor量子因式分解演算法的威力特別看重。
  
不過,量子電腦在十年後取代我們的手機的可能性不高。

第三章‧前進未來世界——待突破的2大挑戰

牟中瑜認為,「20年內量子電腦成為個人電腦的可能性極低。量子電腦在初始,會與一般電腦一起以混合運算形式存在,如IBM Q System One就是透過古典電腦控制量子電腦,而且由於量子電腦必須在接近絕對零度(約攝氏-273度)的極度低溫環境中,量子晶片也得在大型的冷卻設備內運作,我們很難隨身攜帶這麼大個冰箱出門,因此量子電腦在初期會以雲端運算(Cloud Computing)方式提供服務。」
  
而且量子電腦也未必會在我們的生活中呼風喚雨,因為技術製造還有重重挑戰。牟中瑜就指出,以目前最受歡迎的量子閘派別技術來看,Google雖然指稱已經造出72個量子位元的處理器,但光拚「數量」還不夠,還需要高品質的量子位元,才能提高運算精確度。

因此目前的量子電腦都需要加入「除錯」機制,也就是說,一個量子位元,可能需要配上3至4個用來除錯的量子位元,才能夠提高量子位元的總體品質。
  
「也因此理論上1,000個位元的電腦,在實際執行上,可能需要成千上萬個量子位元才能做出精確的運算,以目前的技術來看,20年都不一定做得到。」牟中瑜說。

另外,量子狀態雖然很神奇,但卻有個「玻璃心」,很脆弱。量子狀態存在的時間很短,連一秒鐘都不到,在這個電光火石的短短時間,就要利用這些位元運算完畢,並測量全部的量子位元找出答案,這也是一大技術瓶頸。
  
由於以上兩大技術困難,現階段來說,很多科技業界大老對於量子電腦沒有太多期待。 超微(AMD)執行長暨總裁蘇姿丰接受《數位時代》採訪時就指出,現在還看不出來量子電腦在未來半導體產業中,是扮演重要角色或只是小小的配角,因此對AMD來說,現階段幫摩爾定律「延壽」(舉例來說,利用各種技術延長摩爾定律的時間,如晶片的3D整合技術)更為重要。
  
全球記憶體大廠美光也抱持雷同看法。「美光對於重要的新興科技都有投入研究資源,量子電腦也是美光研究領域之一,不過,現在要談論此對半導體界帶來的影響性都還太早。」美光運算與網路業務部門資深副總裁暨總經理Thomas T.Eby指出。

廣達電腦創辦人林百里也說,「量子電腦是一定會做這件事,但現在講太遠。」他強調,「量子電腦是最高速運算,不容易用在商業上,這種超超高速運算,或許是用在黑洞觀測上,一般商業應用其實用不到。」

文: 翁書婷、陳君毅、高敬原

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