克服超導電路低溫挑戰　量子運算神技全空間求解

自2016年首次將量子電腦部署至雲端以來，IBM積極投入相關研究開發，近期更發布新一代具備433量子位元的量子處理器「Osprey」，成為繼2021年推出127量子位元的Eagle後，量子處理器再一次的技術躍進。Osprey處理的量子位元數，是Eagle的三倍之多，也是目前IBM所有量子處理器中量子位元數最大的一款產品。

IBM傑出工程師陳宇翔指出，Osprey最大的突破是運用了新的立體結構佈線方法，解決了跨線問題，使得在單位面積中，量子整合度要比以往來得高出許多。

依據IBM量子運算藍圖，下一步預計會在2023年底發布高達1,121量子位元的處理器，至此單晶片發展就暫時到了盡頭，接下來則會朝向多晶片整合發展，預估2025年將可望實現4,000量子位元的運算能力，而且隨著晶片的發展進度，預期生態體系也將持續擴大。

同時，IBM也預計將在2023年底發布IBM Quantum System TWO，這是IBM Quantum System One的升級之作，日後基於量子運算的超級電腦將具有模組化的運算架構，可快速地擴展，而且可以無縫整合古典運算與量子運算的工作流程，「未來基礎架構可能發展成六角形，因為六邊形結構易於形成蜂窩狀，有利於擴展，屆時對於資料中心的設計與布局都會有些影響。」他提到，多年來運算架構一直以中央處理器（CPU）為主力，隨著AI開始在各行各業運用，近幾年常見CPU協同GPU（圖形處理器）處理工作負載的作法，而下世代的設備可望將CPU、GPU、QPU（量子處理單元）三者交織在一起，而且會有混碼編程存在，亦即程式碼中既有CPU的程式碼也會有GPU以及QPU的程式碼。

陳宇翔強調，量子運算的發展並非用來取代現有的某種運算能力，而是希望能解決全空間求解的問題，這類問題透過GPU固然有機會得以實現，但因為運算量很大，必須加以分散運算，一旦有了QPU，可能就會出現不同的應用想法，「初期來看，量子運算應該是與現有技術互補的角色，除非到某一天量子運算發展到非常成熟，許多運算模型都已經準備好的情況下，才能可能對現有技術慢慢地替換。」

硬體技術各有擅長　缺點亟待克服

儘管量子電腦在近兩年來漸受重視，但不可諱言，量子電腦仍處於早期理論實驗與原型設計階段，光是硬體技術至少就包含離子阱（Trapped Ions）、冷原子（Code Atoms）、超導電路（Superconducting Loops）、量子點（Silicon Quantum Dot）、鑽石空缺（Diamond Vacancies）、拓樸線（Topological Qubit）以及光量子（Photonic）等七種不同的技術方法。這當中，依據控制的粒子不同，有些是藉由控制原子來實現、有些是電子，也有一些是以控制光子為主的技術方法。

「這七條賽道之間的競爭其實很激烈，而每一條賽道中都有各自不同的選手，彼此之間也在相互較勁。」他提到，IBM現在正位於超導電路的賽道上，其運作原理是把元件放在極低溫的環境下，進而表現出一些量子物理的特性。「每項技術都有其優缺點，」陳宇翔舉例，超導電路最有利的地方就在於其主要是透過電荷的分布或電流能量來實現量子狀態，因為有工業半導體的研究為前例，基本上走這條路的廠商最終都會走到封裝晶片，亦即QPU量子晶片的發展，然後一代、一代的進行設計。因為有整個半導體工業作為基礎，因此當前投入超導電路技術的廠商，多數都是原先便從工業半導體開始發展或原來就是做電腦的大廠。

超導電路的缺點是必須在極低的溫度下運行，所以通常這類量子電腦的周圍都必須要有冷卻系統進行溫度控制，或是運用液態氮，將周圍的溫度降到非常低。另外，相較於其他技術，其量子退相干（Quantum Decoherence）時間目前還是比較短。所謂退相干時間指的是量子位元只能在一段時間內保持量子態，而後會逐漸衰減，這個過程稱之為退相干。而退相干時間越長，表示量子電腦能穩定工作的時間也越久。

他進一步說明，超導電路的缺點恰好是光量子的優點，光量子技術因為在室溫下能夠工作，不需要冷卻系統，其量子退相干時間相對也比較長，所以也有不少公司認為光量子才是未來。但是由於光量子技術通常需要配置大量的雷射光導引器和光學組件，打造成的量子電腦佔地非常大，沒有辦法變成真正的商用。換言之，小型化是光量子技術非常迫切需要克服的挑戰。

量子疊加與量子糾纏細說分明

在量子運算中最常聽到的兩個詞彙，當屬量子疊加（Quantum Superposition）以及量子糾纏（Quantum Entanglement），正是這兩種量子態，造就了量子運算的優勢。有別於傳統上電腦以位元（Bit）的形式儲存資料，要不是0，要不就是1，這是0「或」1的關係。但在量子世界中，量子的狀態則是可以做到0「且」1。

陳宇翔解釋，量子狀態通常會以布洛赫球面（Bloch Sphere）來表示，假設在北極的狀態為0，那麼在南極的狀態就是1。但是它也可以位於赤道緯度中，此時一半的可能性是0，另一半的可能性是1。如果在緯度比較高的北緯，可能有80%是0，有20%是1，測量下來得到的結果就是0.2。「問題是，每次測量的結果，要麼得到的是0，要麼得到的是1，所以0.2的值是透過很多次測量的結果，簡而言之，一旦自備了量子狀態後，可能要連續1,000次的測量，如果800次的結果是0，200次結果是1，得到就是0.2。反之得到的就是0.8。」一般來說，量子狀態是可以改變的，例如加一個算子讓量子狀態從A點到B點，但是量子狀態不能被測量，一旦測量就會坍縮到0或是1這兩個值。

他接著說明，所謂的疊加指的是一個量子態可以同時表達多種不同狀態的疊加，單個量子位元可以表現出兩種不同的疊加，兩個量子位元就可以表現出四種不同狀態的疊加，依此類推，n個量子位元就是2ⁿ次方疊加。傳統世界的運算有明確的輸入與輸出，如果要運算很多次，就會有多次不同的輸入與輸出的結果。但是在量子世界中可以把它們疊加在一起，如此一來就可以加速運算結果，「疊加就像是擁有三頭六臂的效果。」

而糾纏則指的是一個量子位元可以控制另一個量子位元，一旦形成糾纏效果，只要控制其中一個量子位元做事，隔壁的量子位元也會感應到並且做同樣一件事情，實務上可以一個控制一個或者一個控制兩個或三個，可以將其想像成分身術，每個分身都可以做一模一樣的事情。在傳統世界中要做到這樣的效果只能仰賴分散式運算，而且不同的任務之間還要做很多協同運作，在量子機器中，只需要控制其中一個，另外一個就會相應做出感應的動作，

「如果疊加和糾纏能做好，就會有很大的提升空間。」但是他也坦承，量子世界目前還是有不足的地方，如果是一些簡單的運算，傳統電腦反而較快，但如果是全空間的運算，量子的折疊效應將更具優勢。原因在於傳統運算是One by One地一個接一個計算，如果空間一大可能要算上幾年、幾十年甚至是一個天文數字，但是量子電腦因為是全空間一次折疊求解，所以很可能在幾秒鐘內就完成，甚至更快。當然，目前的量子位元還有限，而且演算法也還不夠豐富，也是量子電腦現在較為不足的部分。

加解密應用將受大幅影響

顯然地，量子電腦的強項即在於解決傳統古典電腦不易或無法解決的問題。例如在生命化學（Chemistry）領域可應用於生物醫藥或是新一代輕質長效電池的研發，而在問題優化方面，也因為能夠把複雜性優化，在求解空間中找到最佳解，因而適用於地質資源發現、物流配送以及可持續能源領域的應用。另外，量子運算的平行運算特性能夠加速人工智慧的訓練過程，尤其是基於神經網路的深度學習，例如金融建模。此外，量子運算也能用來處理和解決異常複雜的情景模擬，也有助於業務決策。

陳宇翔觀察，另一個值得留意的領域是在加解密的應用上，隨著量子電腦技術越來越成熟，日後像RSA這類非對稱加密演算法很可能被破解，一旦被破解，建立在這項技術上的所有應用都會受到威脅，例如區塊鏈技術、比特幣、銀行加密技術等等，「我們並不知道發展到哪一年，量子運算能夠破解今天人類的加密技術，但顯然這將會是量子運算可能會有比較大影響力的一個方向。」

最後他強調，量子運算的運算思維與傳統世界既有的運算概念有很大的不同，在傳統世界中，有很多任務都是採用高效能運算模式，總運算總量並沒有減少，只是把大任務拆解成很多小任務，透過GPU以及分散式運算，送到不同的運算節點。但是量子運算是透過折疊的想法，把很多的計算聚合在一起，然後一次運算，就把結果計算出來。「現在就好像人類處於還沒有得知乘法，只知道有加法的階段，當需要從1加到1萬時，面對這麼多的計算量，自然而然就會想辦法分散運算。但是一旦得知有乘法時，就會用降維的眼光來看待加法，從而會覺得有更好的作法。從乘法的角度來看，這就是折疊的概念。」