擁抱量子未來,現在就要準備好

Are You Ready for the Quantum Computing Revolution?
索希尼.果許 Shohini Ghose
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許多研究預測,到了2030年底,量子運算將是規模達價值數十億美元的產業,但量子是一種極不穩定的粒子,這種特殊的物理特性,為我們的技術應用提供許多新的可能性,像是加密技術、藥物開發,以及原物料分子設計的模擬。這一切並不是科幻小說,而是我們實際上正在前往的未來,企業領導人應擬定適當的策略,從現在開始,就為量子運算革命做好準備。

量子物理學已經改變我們的生活。由於雷射和電晶體的發明(兩者都是量子理論的產物),我們今天使用的每一項電子設備,幾乎都是「運作中的量子物理學」實例。現在,我們可能要面臨第二次量子革命,因為我們正在嘗試運用量子世界的更多力量。量子運算和量子通訊可能會影響許多產業,包括醫療照護、能源、金融、安全和娛樂業。最近的研究預測,到了2030年,量子產業的價值將達到數十億美元。但是,必須先克服重大的實務挑戰,才可能達到這麼大規模的影響程度。

量子與傳統

量子理論已有一百多年的歷史,但是當前的量子革命,是基於較新近的一項理解:不確定性(這是量子粒子的一個基本屬性),可以是一種強大的資源。在個別量子粒子的層次〔例如電子或光子(光的粒子)〕,不可能在任何特定的時刻,確切知道粒子的每個屬性。例如,你汽車裡的全球定位系統(GPS)可立即告知你的位置、速度和方向,而且足夠精確,可以讓你到達目的地。但是,量子GPS不能同時且精確地顯示一個電子的所有這些屬性,這不是因為設計錯誤,而是因為量子物理定律不允許。在量子世界裡,我們必須使用機率來表達,而不是用確定性來表達。而在以0和1為主的二進位數字(位元)進行運算的環境中,這意味著量子位元(qubit)在同一時刻既有部分可能性為1,也有部分可能性為0。

起初,這種不精確性令人不安。在日常的傳統電腦中,0和1與用於開啟、關閉的切換器和電子電路有關聯。從電腦運算的觀點來看,不知道它們究竟是開啟還是關閉,並不太合理。其實,這會導致計算錯誤。但量子資訊處理背後的革命性想法是,量子不確定性,也就是0和1 之間的模糊「疊加」(superposition),實際上並不是錯誤,而是特性。它提供新工具,可用更強大的方式來傳遞和處理資料。

運作中的量子通訊與量子運算

量子理論機率性質的後果之一,就是量子資訊無法精確複製。從安全的角度來看,這一點改變了遊戲規則。駭客若試圖複製用在加密和傳輸訊息的「量子密鑰」,將會失敗,就算他們能進入量子電腦或其他強大的資源,仍是如此。這種根本無法破解的加密方式,是以物理定律為基礎,而不是基於目前使用的複雜數學演算法。雖然數學加密技術很容易被功能強大的電腦破解,但若要破解量子加密,就必須違反物理定律。

量子加密法,在根本上就不同於目前以數學複雜性為基礎的加密法,同樣的,量子電腦與目前的傳統電腦也有根本上的不同。這兩者,就像汽車和馬車一樣不同。與馬車相比,汽車是以不同的物理定律為基礎,可以使你更快到達目的地,並到達以前無法去到的新目的地。可以說,量子電腦與傳統電腦的差別也是如此。量子電腦利用量子物理學的機率定律,以新的方式處理資料,並執行運算;它可以更快完成某些運算任務,並執行以前不可能完成的新任務,例如量子隱形傳態(quantum teleportation),這是指以量子粒子來編碼的資訊,會在一個位置消失,並在很遠的另一個位置精確(但非瞬間立即)重建。雖然這聽起來像科幻小說,但這種新形式的資料傳輸,可能會成為未來量子網際網路的重要組成部分。

量子電腦的一個特別重要的應用,可能是模擬和分析用於藥物開發和原料設計的分子。量子電腦特別適合這類任務,因為它運作時所根據的量子物理學定律,與它模擬的分子根據的定律相同。使用量子設備來模擬量子化學,可能遠比使用現今最快的傳統超級電腦更有效率。

量子電腦也非常適合用來解決複雜的最佳化任務,以及對未分類資料執行快速搜尋。這可能與許多應用相關,從將氣候、健康或財務資料分類,到將供應鏈物流、勞動力管理或交通流量最佳化。

為量子未來做好準備

量子競賽已經開始。全世界的政府和私人投資者投注數十億美元在量子研發。用於加密的衛星式量子密鑰已經出現,為潛在的量子安全式全球通訊網路奠定基礎。IBM、Google、微軟(Microsoft)、亞馬遜(Amazon)和其他公司,正大舉投資開發大規模量子運算硬體和軟體。目前還沒有公司真正做到。雖然小型量子電腦已經開始運行,但擴大技術規模的一個主要障礙,是「處理錯誤」項議題。與位元相比,量子位元非常脆弱,即使來自外界的最輕微干擾,也足以破壞量子資訊。這就是為何必須謹慎防護大多數現有的機器,讓它們在溫度遠低於外太空的隔離環境裡運作。雖然已開發出一個理論架構,可用於修正量子錯誤,但以節能和具有資源效率的方式實施這個架構,會帶來重大的工程挑戰。

這個領域目前的狀況,導致尚不清楚何時或是否可以使用量子運算的完整功能。即使如此,企業領導人仍應考慮擬定策略,來處理三個主要領域:

1. 為量子安全性做好規畫:目前的資料加密協議,不僅容易受未來量子電腦影響,也容易受到功能愈來愈強大的傳統電腦傷害。新的加密標準(無論是傳統或量子),都是不可避免的。轉換採取量子安全架構和支持資料安全的基礎設施,將需要規畫、資源和量子專業知識。即使量子電腦可能再過十年才問世,等到那時才順應調整就太遲了。要開始這個流程,現在正是時候。

2. 找出使用案例:過去沒有人能預測到,傳統電腦影響我們生活各個層面的眾多方式。預測量子應用,挑戰性同樣很高。因此,為充分利用量子運算的潛力,健康、金融或能源等不同產業的企業領導人和專家,必須接觸量子研究人員和硬體/軟體工程師,建立關係。這將促成開發針對特定產業的量子解決方案,包括專門針對目前已有的量子技術,或是針對未來可擴充量子運算的解決方案。跨學科的專業知識和訓練,對建立和擴展量子應用程式商店極為重要。

3. 仔細思考負責任的設計:誰將開發並且可以使用量子技術?使用者將如何運用這種技術?人工智慧和區塊鏈的影響已經顯示,有必要考慮新技術的社會、道德和環境含意。目前是量子產業的初期。這是難得的機會,可以從一開始就納入包容性的做法,並為量子運算建立負責任、可永續的路線圖。

過去五年來,量子技術產業的快速成長令人興奮,但未來仍無法預測。幸好,量子理論告訴我們,不可預測性不一定是壞事。其實,可以用某種方式將兩個量子位元鎖在一起,讓它們分開來會保持不確定,但聯合起來可完全同步,也就是兩個量子位元都為0,或者都為1。這種「共同確定性和個別不可預測性」的組合稱為糾纏(entanglement),這種現象是強大的燃料,可以驅動許多量子運算演算法。也許,這也為如何建立量子產業提供一個經驗教訓。透過有責任的規畫,同時接受未來的不確定性,企業就可以提高為量子未來做好準備的勝算。

(林麗冠譯)



索希尼.果許 Shohini Ghose

位於加拿大的威爾弗里德勞雷爾大學(Wilfrid Laurier University)量子物理學家、物理學和電腦科學教授。她是加拿大物理學家協會(Canadian Association of Physicists)理事長、TED高級研究員,也是勞雷爾科學女性中心(Laurier Centre for Women in Science)創辦董事。


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