量子電腦:超越今日所有電腦運算能力的技術即將誕生

解聰文
師大國文研究所博士及台大企管碩士,曾任職於奧地利駐台商務代表辦事處;目前是格博品牌行銷公司合夥人,同時擔任品牌國際化及數位行銷資深顧問。

今年三月,筆者寫了一篇預測各種區塊鏈技術用途發展的文章

Blockchain:Internet問世以來最具破壞力的發明

而外界對於這篇文章最大的疑慮,在於「那麼強的運算能力要從哪裡來?」;現在,本文就來為這個問題提供一些答案。

2016年10月,其實也就是一個星期之前,澳洲的科學家在穩定的量子運算方面創下了最新記錄;如果您對這方面的技術細節有興趣,可以參閱「Science Alert」網站上的相關文章

請放心,這裡不會在談太多細節,讓您頭昏腦脹,因為筆者自己也不是專家。 🙂

量子電腦的強大功能

不過,從20年前第一次讀到關於量子物理和相關科學應用的書籍時,我就對這個主題深深著迷。簡單的說,就是一般電腦是以「0」和「1」的變化來表現資訊,而量子電腦則是以「量子位元」(qubit)作為單位;而qubit的狀態除了0和1之外,還有「0與1」(0 AND 1),所以它能進行遠比傳統電腦更大量的運算。1

而且,qubits電腦的運算能力,是以等比級數成長的;舉例來說,一部可以處理5個qubit的電腦,就能同時進行25項運算。而現在「5 qubit晶片」已經不只是範例,而是已經存在的東西。其中一套由IBM營運,而且每個人都可以(虛擬)使用

根據前面提到的文章,澳洲科學家們應該有辦法在12-18個月內造出功能穩定、可以處理多達50 qubit,也就是能同時進行2,500項運算的量子晶片。

此外,Google的D-Wave已經可以處理多達1,000 qubit以上,但目前只有在特殊狀況下、而且同時使用多個較小的晶片時才能作用。

今天的超級電腦

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同時具備320萬個Intel運算核心的「天河2號」超級電腦。來源:Sam Churchill/Flickr

目前全世界最強大的超級電腦,是位於中國廣州的「天河二號」。這部巨大的電腦擁有多達320萬個Intel運算核心(包括32,000個2.2 GHz時脈速度的Intel Xeon E5-2692 12C處理器,以及48,000個Xeon Phi 31S1P處理器);這部電腦的建造成本高達4億美金。

現在重點來了:剛才提到的量子晶片,目前全世界前三大競爭廠商包括Rigetti、D-Wave(Google)、以及IBM,都可能在明年造出比「天河2號」速度更快的超級電腦。

只要一個量子晶片,運算能力就能輕鬆超過320萬個傳統運算核心。

換言之,只要一個量子晶片,運算能力就能輕鬆超過320萬個傳統運算核心。想想看,這樣一來,或許以後研發人工智慧技術的科學家,就不會在運算能力方面碰到現在的瓶頸了。

各種人工智慧技術的研究,尤其是醫療和大數據相關的部份,都需要非常龐大的運算能量;如果將來市面上有幾千萬、甚至幾億的物聯網產品,它們所產生的數據也需要極大的運算能力來處理。

有了這樣的運算能力,未來將會有許多現在連想都想不到的應用陸續問世。

摩爾定律提早退休

過去,許多人都以為摩爾定律不僅可以適用於2020年代,甚至一路用到2030年代;但因為上個星期發生在澳洲的成就,或許摩爾定律退休的日子會提早。Peter Diamandis甚至認為,發生的時機會大幅提早到2018年

當然,眼前的這條路不見得會像Diamandis想像的那麼順利,但有件事情是可以確定的:我們正在往大幅提升全球電腦運算能力的方向,重重邁進了一大步。「天河2號」目前的運算能力是大約每秒34 petaflop(一個petaflop等於1015次運算);目前做得出來的50 qubit量子晶片,運算能力則大約等於1 petaflop。

幾年之內,就會有效能超過現今全球電腦的單一晶片出現。

目前全世界電腦運算能力的總和,大約是2 x 1020 flops,等於5,800部「天河2號」、或是5800組新的量子晶片;而只要每進一步,例如從50  qubit進步到51 qubit,運算能力就有等比級數的增加。

精彩可期

而這只是量子運算的開端而已。量子電腦現在還只在嬰兒時期,而且還得先等冷卻之類的問題解決;但即使如此,我們還是有機會在幾年之內,看到運算能力比2015全世界電腦加起來都強的單一量子晶片問世。對這一點,我們都可以寄予厚望。

不過有一點要話說在先:目前為止,量子電腦還不能視為傳統電腦的替代品;因為短時間之內它還無法普及,所以只能應用在一些特別的用途上。隨著技術的進步,這一點應該會在未來有所改變。

剩下的問題,只是這些會在什麼時候發生。或許如富士通電腦公司和加拿大多倫多大學的研究所顯示的,傳統電腦還有一些發展空間,但我們在未來幾年之中,將有機會見證電腦在運算能力上的飛躍進展。


  1. 如果您真的對技術細節感興趣,推薦您閱讀〈Basic concepts in quantum computation〉這篇技術入門文章。


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  • Lucky Johnny

    Apparently, the quantum computer cause a huge wave to the future society, specially for computer science, thus, I have a couple question
    of the quantum computer.
    1. When the quantum computer launched, do the computer language like C++, Java, python…, will stop using or just have a big version-changing and then worked as usual?
    2. When the quantum computer launched, how do the Boolean operator worked? Does it work like usual, just True or False, or it will actually transform into another operator, might called “Triple”, which has “True”, “False”, and “True and False”?