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私人部門加速發展量子電腦

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撰文者:Toni Feder 譯者:林祉均
發文日期:2021-01-23
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  • 在量子電腦的研究剛起步之際,懷疑與批評對相關的研究人員是家常便飯。二十年前,理論物理學家Susan Coppersmith(現任職於澳洲新南威爾斯大學)就曾被名聲顯赫的物理學家告誡:不要再浪費時間,量子電腦的錯誤修正太過困難,絕對不會成功。不過,研究上的實質進展,已經讓人們的態度有所轉變。


    加州理工大學的John Preskill是量子電腦領域的翹楚。他表示,在過去二十年來,可以觀察到人們對於量子電腦商業化的願景慢慢有所轉變,而這點反映在科技公司和創投資金對該領域的頻繁動作。這番轉變能帶來進步,也為年輕人創造不少機會。不過他警告:「沒有人真的知道什麼時候能在量子平台上進行應用。我擔心隨著時間過去,外界的期待將過於膨脹」。關於實際可用的量子電腦何時成形,答案從數年到數十年不等。IBM和Google這類大廠牌將目標放在這十年內。


    引起這番轉變的關鍵事件包括:2015年首部商用量子電腦由加拿大的D-Wave公司發行上市,以及2016年IBM首次開放公眾使用的雲端平台量子電腦。(詳見 “IBM proclaims ‘the beginning of the quantum age of computing,’” Physics Today online, 4 May 2016)。同一年內,特定離子陷阱的錯誤率已經降到0.1%以下。2019年十月時,在眾人期盼的目光下,Google用量子電腦進行了一次傳統電腦無法負荷的複雜計算,充分展示量子霸權(Quantum Supremacy)。利用53個量子位元,它在200秒內就完成了一個令傳統電腦耗時許久的數學問題。至於這次計算在傳統超級電腦上究竟需要多久並無定論,Google聲稱需要數千年,IBM則說他們的「高峰」超級電腦只要花兩天半。


    不過距離實用性高的量子電腦,仍有幾個障礙需要克服。量子位元數目還有待增加。這些量子位元不只要拿來進行運算,還要負責修正脆弱的量子態去相干所產生的錯誤。為此需要設計並建造基礎硬體設施,並打造合適的演算法。


    Google的量子人工智慧實驗室創辦人Hartmut Neven將量子電腦的現狀比喻為早期還未開始觀測的雷射干涉儀重力波天文台(LIGO):「打造如此精密的儀器十分困難,不過更大的隱憂其實是:究竟有沒有夠多的黑洞或中子星給它觀測?實用可靠的量子電腦遲早會問世,不過我更擔心的是我們能否找到有科學或商業價值的演算法,讓過去所投注的資源值回票價。」

    設置、操縱、測量

    量子電腦的威力來自量子位元的特性。傳統的電腦中,一個位元的值只能是0或1;量子位元的值可能是0、1或是兩者的疊加態。兩個量子位元就有四種可能的狀態,三個量子位元有八種,N個量子位元則有2N種。加州聖塔芭芭拉大學的實驗物理學家John Martinis表示,只要50個量子位元,計算能力便已超越傳統的超級電腦。「當量子位元數來到300,2300已經超過宇宙中的原子數量。所以量子電腦未來可能達成的計算能力,根本不是任何傳統電腦可以比擬的。」


    Google展示量子霸權。


     
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    2019年十月時,圖中的科學家和工程師在Google公司位於加州聖塔芭芭拉的實驗室中,進行稀釋冷凍器的維護工作。冷凍器中保存著Sycamore晶片(下圖),也就是這次創舉的主角。晶片中的53個超導量子位元在幾分鐘內所完成的計算,會讓傳統電腦花上很久的時間。(圖片來自Google AI Quantum)



    用於執行計算中各步驟的量子邏輯閘可以對單一或成對的量子位元進行運算。如果想要寫出量子演算法,「必須學習一套新的規則」,Martinis這麼說。他在今年春天離開Google,並在九月加入澳洲的新創公司Silicon Quantum Computing,擔任為期六個月的內部顧問。「有點像是從跳棋進階為西洋棋。量子位元的規則更加多元,也有較多種的邏輯閘。」


    具體上來說,實現量子位元有幾種辦法。許多技術都是奠基於超導穿隧接點(見 Physics Today,July 2009, page 14)或是半導體量子點(見 Physics Today, August 2019, page 38)。這類的量子位元可以量產,研究人員也能透過改變其能階來調整相關性質。其他方法還包括束縛離子或原子的自旋(見 Physics Today, March 2004, page 38, July 2017, page 44.),這類系統中,每個量子位元本質上都是相同的,因此能維持量子相干的時間比一般超導或半導體系統長。


    「自然界中有許多量子雙態系統。只要能夠把它妥善地設置,操縱,並測量,它就成了一個量子位元。不論內部的物理機制是什麼,寫下抽象的程式語言之後,跑出的結果都是一樣的。」不過,內部的物理機制會影響到量子邏輯閘和演算法的選擇。


    Raymond Laflamm創立了位於加拿大安大略省的滑鐵盧大學量子計算中心。他認為目前來說,離子陷阱和超導量子位元被廣泛認為是量子電腦競賽中的領先者。他的研究主題是核磁共振系統做為量子計算工具。這個有趣的切入點能幫助我們學習操縱量子位元的一般方法,不過他表示核磁共振並沒有打算投入大型量子電腦的製作。


    隔離與溝通
    過去幾年中,我們首次見到了體積與威力都不容小覷的量子電腦。「雖然量子電腦還無法進行實際應用,不過目前的發展程度已經足以對這方面的研究發揮正面影響,這樣就已經很有趣了」,Martinis這麼說。他舉出一些問題作為例子,像是:量子位元的物理意義是什麼?有什麼限制?有什麼問題是只有量子位元能解決的嗎?「目前最大的困難在於量子電腦的建造」。一般來說,將越多量子位元連結在一起,就代表去相干發生的越快。Martinis提到:「此處的兩難在於,要讓量子位元與彼此溝通,同時要將他們與外界隔離」。透過特殊的晶片設計,Google的量子電腦展示能夠有效迴避這個困境。


    專精半導體量子位元的Coppersmith表示:「去相干的速度決定了量子位元的成敗與否。對於去相干過程的了解,對於量子電腦的發展將有關鍵性的影響。」


    量子電腦的初步應用是許多研究人員期待的發展,可能的領域包括量子化學和材料科學等。利用量子電腦進行的數值模擬,或許將帶來更有效率的電池,以及能夠清潔環境的特殊分子(詳細內容請見Quantum computer models a chemical reaction,” Physics Today online, 8 September 2020)。


    另外一類適合量子電腦處理的便是最佳化問題,例如著名的「推銷員問題」:逐門拜訪數量極大的住戶時,最佳路徑為何?「我們希望量子電腦能同時檢視所有的狀態,達成較有效率的計算」,Martinis如此解釋道。除此之外,日常生活中的最佳化問題也隨處可見。例如規劃飛機航線與計劃投資組合,都屬於最佳化問題的範疇。

    該如何知道量子電腦的計算結果是否正確呢?如果是質因數分解這類的問題,要檢查答案並不困難,而這類問題的答案十分重要。只要利用Peter Shor在1994年開出的大數質因數分解演算法,便能夠破解加密訊息,並在未來用於訊息加密。其他的簡易計算也同樣可以被檢查。至於其他較複雜,無法檢測的計算,研究人員就只能選擇先相信手上的量子電腦。


    錯誤與雜訊
    這樣的信任必須建立在錯誤修正之上,也就代表在系統中需要內建多餘的位元。(參見Preskill, Physics Today,June 1999, page 24)。對於大部分量子位元的建構方式來說,多餘的位元非常笨重,也帶來更多成本。超導量子位元的錯誤率約為0.5%。Martinis認為有效的錯誤修正需要將錯誤率「降低到0.1%以下」。一個邏輯量子位元由許多實體量子位元組成,只要在某個邏輯位元中,對多餘的位元取樣,檢查他們是否處於原先的狀態,就能在不影響量子系統的情況下檢查這個邏輯量子位元是否有錯誤。


    在一篇近期上傳到arXiv網站的預印本中,馬里蘭大學的實驗學家Chris Monroe與他的團隊聲稱他們達到了0.3%的錯誤率,而且該為原僅用13個實體量子位元組成。成立於馬里蘭的新創公司IonQ的共同創辦人Monroe表示,跟其他量子位元系統相比,這次實驗能將實體位元數目壓低的秘訣在於低錯誤率以及離子陷阱之間的緊密連結。「這樣的做法給離子一條明確的通道,往更大的尺度邁進。」


     
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    一連串的釔-171離子被放入離子陷阱中,作為馬里蘭的新創公司IonQ所使用的量子位元。將雷射頻率調整到離子的基態到激發態之間的躍遷頻率,便可以用來控制這些量子位元。中間的長條區域就是離子被困住的地方,長寬約為1.2 mm×4 mm。(KAI HUDEK, IONQ)


    在此同時,研究人員也在探尋現有系統的可能應用。在雜訊中等規模量子(NISQ)計算的領域中,演算法只包含少數幾個邏輯閘,所以在去相干讓系統崩壞之前,計算就能先一步完成。Ion的共同創辦人,杜克大學物理學家Jungsang Kim說:「在我們有辦法修正錯誤之前所用的就是NISQ」(見Anne Matsuura, Sonika Johri, and Justin Hogaboam, Physics Today, March 2019, page 40)。
    「我們得找到NISQ有什麼用處並從中創造價值,人們才會願意重新投資」,Kim說到。創建「量子霸權」和「NISQ」這些用語的Preskill也同意:「這將會帶來經濟上的發展。我們需要實際的應用才能啟動這個良性循環。」Amazon在今年夏天才剛任命Preskill負責公司的量子計算倡議計畫。


    在這場量子電腦實用性的競賽中,可能扮演黑馬的是成立五年的PsiQuantum。這家公司創立於加州的帕羅奧圖(Palo Alto),並採取光子作為量子位元。他們決定直接跳過NISQ,以錯誤修正為目標。公司的共同創辦人,前任物理與電機教授Jeremy O’Brien表示:「關鍵在於如何設計出一種能與半導體產業相容的架構」。PsiQuantum將矽晶片設計成上千個光子學元件,其中的波導管能運輸單一的光子,作為量子位元來使用。O’Brien說:「我們的目標是將一萬個實體量子位元融合為一個邏輯量子位元。儘管成本高昂,但卻十分值得。」


    O’Brien預期PsiQuantum在幾年內就能做出可以投入實際應用的量子電腦,其中包含的邏輯量子位元數目不超過一百萬。這個時程比專精其他種類量子位元的人們還要快。今年春天,這間公司獲得的創業投資總額突破了25萬美元。「我不再需要說服人們這東西很有趣,我得用棍子趕走聚集的人群。」


    David DiVincenzo認為,究竟哪種量子位元能夠勝出,取決誰能將所有關鍵的部件整合在一起,讓量子電腦能夠好好聽從資訊科學家的指令。DiVincenzo是一位理論物理學家,目前任職於德國的約立希研究中心。該地是一個研究集團的根據地,他們以開發量子電腦為目標,是歐盟的量子旗艦倡議計畫的一部分。


    多部門合作
    不論是企業、學術機構,還是政府,各方單位都摩拳擦掌,準備進入量子電腦的競技場。包括中國、日本及許多國家,都在這個領域進行投資。2018年十二月,川普總統簽署了國家量子倡議案(National Quantum Initiative),此案的一部分目標便是為量子技術的發展訂下十年計劃。作為此計畫的一部分,美國在今年八月公布了新獎項,頒發給專攻人工智慧與量子資訊的科研機構。這項倡議案與歐盟2018年的旗艦計畫一樣,在量子資訊科學可能帶來的商業利益上,下了大約十億美元的賭注。


    「這個社群成長十分快速,而企業能夠達成大學難以實現的浩大工程」,Frank Wilhelm-Mauch這麼說。他是歐盟的量子電腦計畫中,約立希研究中心的統籌者。企業也能夠融合跨領域團隊。他提到:「在學術機構中,以及在學術發展的時間尺度內,這是很難做到的」。有些大型企業投入巨額的資金,因此能比政府或學術機構更快行動。


    此外,有不少公司開始提供雲端量子電腦服務。除了IBM之外,目前的名單還包括Microsoft、Honeywell、Alpine Quantum、D-Wave、Rigetti Computing、QuEra,以及Atom Computing。Google也計畫要將量子霸權等級的系統放上雲端。今年八月,IonQ透過Amazon的Braket雲端平台,對公眾開放了一個含有11個量子位元的量子電腦,並在十月公開了32個量子位元的版本。Wilhelm-Mauch表示,這些公司已經引起資訊工程師、創投客以及學生的興趣。「這是項很棒的服務,同時也推進了這個領域的發展。開放使用能讓我們更快找到有用的演算法。」


    Jan Benhelm是蘇黎世儀器(Zurich Instruments)的產品管理部門主管,這間公司開發的電子零件和軟體可以將量子位元連結至更上層的軟體與應用程式。他認為大學這個場所適合開發高風險的新型科技,「探索新型的量子位元,邏輯閘,以及演算法」。不過學術機構著重發表量,而且大學中大多數研究人員並沒有長久的職位,「當你想提升計畫的規模,大學的誘因模式往往不會給你足夠的支持。」


    越來越多的新創公司與大企業開始進駐量子電腦的領域。位於安大略省基奇那市的Quantum Benchmark便是其中之一,他們為量子位元的設計者提供軟體診斷服務,測試他們的計算表現是否符合預期。另一家公司Tabor Electronics則是生產任意的波形產生器,並與數位轉換器融合,用來讀取超導量子位元。


    Martinis說:「這個領域已經有了長足進步。其中混和著適當的樂觀,以及些許的不實期待。」Wilhelm-Mauch則認為,量子電腦是否會有實際用途,還很難下定論。目前,就市面上可見的儀器產品而言「就像掏金熱一樣:獲利的是鏟子商人。」


    本文感謝Physics Today (American Institute of Physics) 同意物理雙月刊進行中文翻譯並授權刊登。原文刊登並收錄於Physics Today, Nov. 2020 雜誌內 (Physics Today 73, 11, 22 (2020); https://doi.org/10.1063/PT.3.4612)。原文作者:Toni Feder 。中文編譯:林祉均,國立清華大學物理系學生。


    Physics Bimonthly (The Physics Society of Taiwan) appreciates that Physics Today (American Institute of Physics) authorizes Physics Bimonthly to translate and reprint in Mandarin. The article is contributed by Toni Feder, and are published on (Physics Today 73, 11, 22 (2020); https://doi.org/10.1063/PT.3.4612). The article in Mandarin is translated and edited by J.-R. Lin , Studying at the Department of Physics, National Tsing Hua University.

     
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