2015年12月11日 星期五

量子電腦的新紀元


這個報導,有些對,有些錯。

一般電腦的基礎計算與儲存單元是位元 (bit),一個位元就只儲存一個最小單元的訊息:要麼是 0,要麼是 1。量子電腦 [1] 的基礎計算與儲存單元是量子位元 (qbitquantum bit)。量子位元基本上是一個量子狀態 (quantum state),它是一些本徵態 (eigen state) 的線性組合。這些本徵態的係數基本上容許在一整條實數線上取值,所以一個量子位元比傳統位元所包含的訊息量要大得多了。這家加拿大公司 D-Wave [2] 兩三年前宣佈賣出的量子電腦只有 256 qbit,相信嗎?與傳統電腦動輒幾千萬位元的計算在數量上差距甚大,但它仍有優為之事。

量子電腦不僅在計算與儲存的基礎單元與傳統單元不一樣,連演算法也不一樣。它是用 Shor’s algorithm [3]D-wave為了培養未來的量子計算程式員,已在其網站開放免費學習環境。這當然是產品推廣與售後服務的策略,但是對於未來的量子計算是肇基的工作。Shor’s algorithm的編程需要對量子力學有基礎概念的了解,不像一般的程式語言 C C++只需要清楚的邏輯概念即可。也就是說科學教育需要向下紮根。

量子電腦並非萬能,它只在一些特定的領域中相對於傳統電腦有顯著的優勢,特別是NP hard (Non-deterministic Polynomial-time hard) [4] 的問題。NP hard是一個數學上對問題解題困難的分類名稱。以實際例子來說,像質因素分解、蛋白質摺疊、系統發育 (phylogenetics)、多點遍歷最短路徑、數据挖掘 (data mining)、自動駕駛、決策輔助系統、計劃、排程、編冊、監視與控制、輔導系統、診斷等,本質上都是 NP hard的問題。這些問題可都是近年來科技發展的重心:通訊、生醫、大數据、工業 4.0、機器人、物聯網等。

兩三年前 D-wave發表的新聞中就有銷售給 NASAGoogle量子計算機的消息,可是之後 Google出面否認購買之事。兼之物理學家對於其是否真的是使用 qbit計算屢有質疑,所以沒有人太當真。這則十二月八日的消息又重燃起話題。Google不是等閒的公司,經過兩三年審視的東西大概不是膺品。

目前凝態物理的研究,特別是對新物質的開發、新機制的探討很多是「以量子計算之名」。顯示學界對於量子計算的殷切期望。

有兩件事值的一提。一是在 D-Wave的網頁上它宣稱與洛克希德馬丁公司訂立了永久合約,洛克希德馬丁公司的核心業務是什麼大家應該很清楚,這方面的應用令人憂心。而且要擔心不僅止是戰爭的禍害,每個人的隱私也都有受侵害的虞慮。加解密似乎離日常生活很遠,其實不然。每次我們在打電話、上網路、提款、使用信用卡、健保卡等,都在不斷的重複加解密。其中有個原本安全的機制叫公鑰基礎設施 (PKIPublic Key Infrastructure) [5],它基本上是用兩組質數乘出一個 1024位元的數目當成一組公鑰來加密,而收受人則擁有此二質數之一當成私鑰。公鑰是公開的,盡人皆知,譬如你的 email住址;私鑰則有如你 email的帳戶密碼,只有你有。以公鑰加密的文件就好比寄到你 email住址的內容,只有你因有帳號密碼而可以開啟。此 PKI是現在所有各類通訊的礎石,其安全性的根源來自於質因數分解的難度。以現在傳統電腦的能力,分解一組 1024位元數目的質因數大概需要兩三年。如果以量子電腦來分解,只是幾秒鐘的事。有量子電腦,所有現代通訊協議得重新來過,也許得動用到終極加密機制量子纏結 (quantum entanglement) [6],但這是另話了。

另一個是台灣的 IT 界似乎對此毫無所覺。台灣是 IT 大國,理應對此顛覆性的技術有至少警戒性的投入。產業的競爭很少是因為演化性的競爭而立即致命的,但革命性的技術出現就會讓沒有準備的廠家一夕覆滅。遠的像是柯達,近的像是台灣的 DRAM―台灣的 DRAM 不是死於 DRAM 的競爭,而是死於沒有投入與 DRAM 有研發、生產綜效的 flash。量子計算機需要的技術包括低溫 (0.01 K!)、量子編程、新物質開發等,這些技術無法一蹴而至,台灣的 IT 廠商準備好了沒?

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