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路遙,知碼力的量子電腦

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撰文者:譯者:朱家誼 博士
發文日期:2018-06-24
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  • 量子計算能力可能將成為人類的新興超能力。但隨著這股科技熱潮漸漸被過度渲染,有些專家選擇出來踩煞車;他們認為應該要務實的討論量子計算的前景,而不是幻想未來家家戶戶都能有台量子電腦。

    這些專家們比較坦然的接受目前量子技術的警訊;雖然一台量子電腦就可以破解這些近代的加密(encryption)方法,但是,這需要幾百萬個量子位元才能運作(目前最高紀錄是Google在三月會議上宣佈的72個量子位元)。這些硬體巨擘在過去兩年內穩定地增加機器裡的量子位元數;但是質比量更重要,偏偏沒人展示過便宜又有效的量子位元糾錯(quantum error correction)方法。儘管如此,他們期望這些為數不多的量子位元近期之內就可以運作一些傳統電腦無法做到的演算法—一種被稱為「量子霸權」(quantum supremacy)的轉折點;不過最後被解決的十之八九會是無用、抽象的數學問題。

    無論如何,研究員們正在發展有用的演算法。今年的美國物理年會三月會議(APS March Meeting)裡不少講者提出了一些為解決物理問題而產生演算法,這些演算法可以在Google、Intel和IBM現有的原型電腦上運作。雖然這裡面有許多演算法是用來模擬已經被研究得很透徹的量子系統,但是研究人員終究可以把這些計算技術推廣,用來研究目前尚不清楚的問題。

     
    qubit
    有17個量子位元的Intel量子電腦原型機(Photo credit: Intel)
     
    Intel的索妮卡·周黎(Sonika Johri)正在建構一種演算法,讓公司17量子位元的量子電腦可以模擬一種被稱為分數霍爾效應的現象。這個效應會發生在強磁場下的二維電子氣裡,這些電子氣的集體行為使得整體系統看起來是由分數電子電荷而非整數電荷組成。

    周黎的目標是模擬整體看似三分之一電荷組成的系統,這個現象已經從實驗裡間接觀測到了。由於這種狀態相對的不容易被外界噪音影響,所以很有機會被拿來當量子資訊儲存系統。如果周黎成功使用Intel的超導位元(superconducting qubit)模擬出這種狀態,此狀態可能可以做成量子電腦的記憶體。

    Google的賈羅德·麥克林(Jarrod McClean)則是在發展量子電腦上模擬分子的演算法,如此一來就可以用電腦計算分子的薛丁格方程(Schrödinger’s equation)而得到該分子允許的能態。簡單的來講就是「給我原子核的位置,我想辦法給你電子的位置。」

    量子電腦有可能模擬傳統電腦無法計算的複雜分子,即便如此,目前研究員只能夠計算兩、三個原子組成的分子,但這些傳統電腦也做的到。到今天為止量子電腦所計算過最大的分子是去年九月用IBM的7量子位元電腦模擬的氫化鈹(BeH2)。

    這些模擬都是合理的短期的目標,因為這些系統與量子電腦的運算本質上非常的類似。例如在麥克林的模擬中,每個量子位元都可以當作一個電子可以佔據的晶格點;如果有電子佔據該點,量子位元就是1,沒有電子就為0,如果電子有可能在、也有可能不在,則該量子位元就是0和1的疊加態。量子電腦則會對量子位元放出一系列的脈衝微波來模擬分子的組成粒子之間的交互作用。

    像周黎和麥克林這類的演算法開發者通常不會與硬體設備有直接相關。取而代之的是他們做理論證明和擬定各種程度的抽象通信協定,其中包含了估計電腦解決一個問題所耗的時間、寫出「虛擬碼」(pseudocode,一種不須指定硬體的高層次程式語言)或是寫下真實量子位元的邏輯閘的運作順序。

    譬如說要開發化學模擬演算法時,麥克林需要將薛丁格方程翻譯成量子位元讀得懂的訊息。同時他也將邏輯閘運作流程變得更順暢。「試想,如果你將實體的量子位元擺出來,最右上角的位元可能很難與最左下角的溝通;當然,這取決於你如何排列他們。」麥克林繼續說道:「我試著要將這個流程變得最精簡,讓他們的交流盡可能的更短、更有效率。」

    Microsoft的史蒂芬·喬丹(Stephen Jordan)所報告的是用來模擬量子場論的量子電腦演算法。他和他的合作者設計出可以模擬兩種簡易場論的虛擬碼,分別描述純玻色子場論和純費米子場論,除此之外他們還要估計不同版本的演算法需要跑多久。喬丹說他們做這工作的動機之一是希望可以用量子電腦模擬整個標準模型或者粒子對撞機裡的散射碰撞實驗。

    雖然這些量子電腦公司彼此之間有競爭,但是對於演算法的開發卻不太藏私。麥克林說他們Google裡的團隊運作的比較學術派,他們會與學界和其他公司的研究人員合作。麥克林的團隊最近就釋出了一組可以用來模擬量子化學問題、稱為OpenFermion的開源函式庫(open source library)。同樣的,喬丹在加入Microsoft 之前就已經和公司談好條件,讓他可以發表他的研究成果。

    不過這些短期演算法能夠做到什麼程度其實還是個問號。糾錯這件事情在這領域裡就是個大挑戰;最新的量子位元技術已經將錯誤率降至不到百分之一,但是錯誤會很快地被放大。雖然演算法開發者已經有一些方法來做更正錯誤,不過他們還沒有完整的展示這些技術用在實際硬體上的成果。

    要抵銷這些錯誤,麥克林團隊偏向使用稱為變分量子特徵解法的量子—古典混合演算法。這個演算法會反覆的將各種步驟在量子電腦和傳統電腦裡交替做模擬。這種混合法還可以縮短運算的時間。

    「最大的問題是,在不做糾錯的情況下還可以解決實際的問題嗎?」麥克林問。小規模的演算法所顯示的結果是肯定的。他說這種短期策略就是要幫發展中的大型電腦嘗試這些運算機制,一直試到失敗為止。之後他們就會開發新的方法,然後再繼續嘗試。


    本文感謝APS NEWS (美國物理學會)授權物理雙月刊進行中文翻譯並刊登於物理雙月刊網站及雜誌。譯者:朱家誼 博士 ,原文刊登於APS NEWs May/2018https://www.aps.org/publications/apsnews/201805/quantum.cfm
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