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量子電腦,下一場電腦革命

說起溫哥華,香港人認為是個風景優美,氣候怡人的理想退休城市,就算沒有親身去過,身邊總會認識親戚朋友舊同學,移民過去那兒安居樂業。可是又有多少人知道,溫哥華很可能是下一波電腦革命的發源地。總部位於溫哥華的D-Wave System,是全世界唯一研發商用量子電腦的公司,九九年開業至今,只賣出了兩台量子電腦。換了是其他start-up,生意這樣少,一早就執笠了。不過此公司的投資者非比尋常,包括CIA和阿瑪遜的創辨人Jeff Bezos,他們十分有耐性,因為量子電腦若果研發成功,將會顛覆整個電腦行業。早兩年Google買了一台量子電腦試用後,近日更高調宣佈自行開發量子電腦,足以證明量子電腦的前景無限。

量子電腦是什麼?聽起來像是科幻小說中才出現的的玩意。當電路的體積越來越細,細到只有納米的大小,在極低溫低的狀態,便會出現量子現像。我們在中學教科書中學過的傳統物理學,連愛因斯坦的物理學,都統統不再適用,踏進量子物理學的領域。量子物理學我也不太懂,不過量子電腦的運作原理,倒也不難明白。傳統電腦的運算單位是零與一,每一個運算位元(bit)只能計算一個數值。量子電腦則利用superposition的原理,量子運算位元(qubit)是零與一外,還可以同時間包括零和一,只有在最後觀測結果時,才會隨機地變成零或一的結果。打個比喻,擲銀幣有公字,公是零,字是一,那superposition可以說成個銀幣在拋起在空中不停打轉的狀態,那個銀幣在跌落地那刻,我們才知道是公或是字。另外量子腦還利用entanglement的原理,讓兩個不同的量子位元連結在一起,在觀測其中一個位元的結果時,另一個位元也會呈現相同的結果。繼續用擲銀幣打比喻,若果半空有兩個銀幣entangle了,其中一個落地開公,另一個銀幣必定也會開公,結果只能是兩個公或兩個字,不可能一個公一個字。擲銀幣公字的機會永遠是各一半,但量子計算的原理,便是利用量子邏輯運算,改變在半空中銀幣會開公或開字的機會率。量子算式便是結合superposition和entaglement的原理,讓量子電腦同時間作大量平衡運算,並把你想要的答案,在觀測結果的時侯,有最高開出的機會率。

目前量子算式主要用來計算傳統電腦一些稱之為P=NP的難題,這類難題的特點,是要找出正確的答案很困難,要動用天文數字的電腦運算能力,但覆核答案是否正確相對地容易。其一個難題便是尋找超大數目的質數因數,要從把兩個超大質數相乘的結果,反轉頭找出原本那個兩個質數,而這個算式基本上是現今所有加密系統的罩門。加密系統的原理就是假定駭客沒有足夠的電腦能力去作暴力破解(brute force attack),在有生之年把所有密碼的可能性撞出來,而量子電腦的平行運算能力,便正正是同時間去撞所有密碼。另一個量子電腦擅長解決的難題,是統稱為旅行的營銷員問題(traveling salesman),用一個比較現實的例子來說明。假你打算去環遊世界,決定遊覽每一個國家的首都,但世上有幾百間航空公司,有數以萬計來往各地首都的航班,機票有平有貴,行程安排可有天文數字的組合,那你如何找出最最最便宜的機票組合呢?當然沒有人會真的這樣環遊世界,但類似的最佳化問題(optimization problem)天天都有,從物流公司安排貨物的運送,到藥廠開發新藥物,天文台預測天氣,人工智能,甚至金融機構的電腦操盤,都能應用最佳化的量子算式,大大提高運算速度和準確性。

說回D-Wave System,當各大學的頂尖量子研究,還只是在弄十幾量子位元的運算,他們的量子電腦便已一口氣五百量子位元,下一代的量子電腦更去到一千量子位元。要知道量子電腦的平衡運算能力,是二乘以量子位元的倍數(2^N),多一量子位元運算能力翻兩倍,多兩量子位元運算能力翻四倍,多三量子位元運算能力翻八倍,是幾何級數的暴升。那D-Wave有什麼秘密武器,讓他們遙遙領先一眾量子研究呢。說穿了可能是世紀大騙局,儘管所有媒體報導都說他們賣量子電腦,事實上他們自己也不知道自己賣的算不算是量子電腦。大學研究著重學術理論,建造量子電腦前,要先弄清楚其中涉及的量子物理學理論。D-Wave則走工程師的捷徑,在完全弄清量子理論之前,單憑一個非常有可能成功的假設,先把量子電腦造出來再說,造了出來才慢慢研究其中的原理。而D-Wave的開發的並不是汎用型量子電腦,而是一種稱之為quantum annealing machine,只能計算最佳化問題的特殊量子電腦。D-Waves的量子電腦最初面世時,因為它們是量子研究界的異端,引來不少學者的質疑,認為他們不可能造出量子電腦。自從Lockheed Martin和Google購入量子電腦,開放給不同科學家作獨立研究檢測,質疑聲音逐漸轉變為肯定和支持,看來D-Wave在那場量子技術的豪賭中押對了注,量子電腦實用化向前邁進一大步。

自Shockley發明半導體至今六十年,三十年前個人電腦才剛剛起步,現在我們每人口袋中都有一台超級電腦。量子電腦理論發明於八十年代初,現今已經過了三十年,三十年後我們會否人手一台量子電腦呢。在外國不少大學,已經開設量子物理和量子電腦的專門學科,準備迎接即將來臨的量子革命,不知道香港的大學,又做好迎接量子時代的準備了未?

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