量子電腦比現今電腦強億倍，跨入下一世代！－BENEVO台灣部落格之科技應用。創新與分享

富士通（Fujitsu）發表量子運算服務，格外引起科技業矚目，因為量子電腦被譽為「下個世代運算工具」，理論上可以達到現有電腦運算能力的1億倍，傳統電腦需要花上數十年解決的問題，量子電腦可能在不到一天內就能達成，預估到2025年市場可以達到百億美元規模，儘管電腦本身尚未商用化，但已經吸引Google、IBM等大廠砸重金卡位，爭奪「量子霸權」目標。

據摩根士丹利2016年報告顯示，未來十年量子電腦將改變許多產業，預估在高端的量子電腦運算市場，到2025年會達到百億美元規模，故吸引微軟、IBM、Google等頂尖科技大廠近年陸續展示相關先進技術，提前卡位市場，希望達到「量子霸權」的目標。

由於近年量子電腦相關先進實驗案例大多集中在傳統歐美大廠，故身為日系廠商的富士通舉動格外引起矚目。富士通指出，量子運算服務「Fujitsu Digital Annealer」，首創結合傳統運算與量子運算的最新技術，以量子運算概念為基礎所打造的數位電路結構設計，能高速、有效地使用大數據進行組合最佳化演算。

目前，量子運算可以快速處理大量數據，所以適用於產品在化學、藥物研究領域的分子相似性比對、金融投資標的分析、廠房庫存管理、高度個人化的數位行銷廣告投放等，提供了路徑資料排列組合運算上無法以傳統電腦進行解析的高速運算解決方案。

量子體系用於運算的想法，早在 1980 年代就由物理學家理察‧費曼（Richard Feynman）提出，然而量子電腦一直被視為如白日夢般遙不可及的未來，近幾年 IBM、Google、微軟（Microsoft）、Intel 等科技巨頭，紛紛投入量子電腦領域後，才讓量子電腦有從實驗室慢慢走向一般商用領域的跡象。

摩根士丹利曾在 2016 年表示，未來十年，量子電腦將對許多產業產生重大影響，更預估高階量子電腦運算市場，在 2025 年會達 100 億美元價值，各家大廠磨刀霍霍投入大量資源研發，為的就是達成「量子霸權」（quantum supremacy）目標。

「量子霸權」是 2012 年由加州理工學院物理學家焦恩‧普瑞斯基爾（John Preskill）提出的概念，意思是當量子電腦發展到 50 量子位元（qubit）時，運算能力將會超越世界所有電腦，具有解決傳統電腦解決不了問題的能力。

而目前究竟有哪些公司著墨這個領域呢？

微軟

2005 年，微軟當時就由數學家麥可‧弗里德曼（Michael Freedman）領軍，成立研究拓樸量子運算的「Station Q」實驗室，微軟執行長薩蒂亞‧納德拉（Satya Nadella）認為，量子電腦的高速運算速度可以幫助人類解決像是醫療、能源，這類傳統電腦運算需要花上百萬年時間才能解決的難題，研究人員能因此受惠加速開發出新材料、程式等。

去年 9 月也公布兩款量子模擬器，一款可實際在一個場域運作，另一款在微軟 Azure 雲端平台運作，微軟負責量子軟體開發的資深研究員 Krysta Svore 談到：「量子模擬器能讓開發人員在實體機器尚未問世的情況下開發；量子電腦能自動建模，如果是透過傳統電腦，我們不能真正了解這些流程。」

▲ 藉由程式語言 Q#，協助開發者開發量子電腦的軟體，加快量子運算走向商業化。（Source：Flickr/BipHoo Company CC BY 2.0）

去年 12 月，宣布推出一款程式語言「Q#」，可以協助開發者為量子電腦開發軟體，喊出要在 5 年內讓量子電腦進入商業市場的目標；今年 3 月，微軟研究員透過由半導體材料和超導材料製作的奈米線材，發現馬約拉納費米子（Majorana fermion）存在的證據，它是一種穩定量子訊息編碼方式，微軟希望在今年將費米子轉化為量子，並在 5 年內提供商業使用，意味著微軟在量子電腦的努力上又邁進一步。

IBM

IBM 同樣在量子運算領域深耕多年，1998 年就開發出第一個量子位元，2016 年就開發出具有 5 量子位元（qubit）的量子電腦，一年多後，IBM 就宣布研發出全世界第一台 50 量子位元（qubit）的量子電腦，並在 2018 年的消費電子展（CES）正式亮相。

公開展示 50 量子位元電腦內部結構時，IBM 研究主席 Jeffery Welse 表示，目前遇到最大的挑戰是溫度，因為量子位元可能因噪音等干擾導致數據流失，為了將干擾降到最低，必須將處理器放在比太空還冷 250 倍的低溫環境。

▲ 當量子電腦發展到 50 量子位元（qubit）時，運算能力將會超越世界上所有電腦，就稱為「量子霸權」。（Source：IBM）

Jeffery Welse 談到，IBM 有信心十年內打造出一台具備 50 到 100 位元的量子電腦，「只需要幾分鐘時間，就能得到傳統電腦花 5 天運算才能得到的結果。」雖然目前 IBM 量子電腦的應用大多是科學研究階段，但 50 量子位元（qubit）的出現，也激起不少人對量子運算的期待與想像。

Google

Google 應該可說是目前這塊領域跑得最快的公司了，今年 3 月 Google 量子 AI 實驗室（Google Quantum AI lab）公布了具 72 量子位元（qubit）的處理器「Bristlecone」，將 IBM 先前推出 50 位元處理器遠遠拋在身後。

處理器「Bristlecone」之前，Google 的量子電腦產品只有 9 位元（qubit）。依據「量子霸權」需達 50 量子位元（qubit）的定義，理論上這款處理器已比量子霸權的定義更大，但錯誤率的穩定仍是一大關鍵，先前 Google 的 9 量子位元處理器有錯誤率 0.6% 的成績，而這次官方並沒有公布 Bristlecone 的錯誤率，但仍聲明強調若錯誤率下降，將可超越目前的超級電腦，處理龐雜的運算問題，雖然目前沒人能真正達到量子霸權目標，但仍對發展相當樂觀。

▲ Google 量子 AI 實驗室公布具 72 量子位元的處理器 Bristlecone。（Source：Google）

量子電腦要能真正商業化，必須達到 100 萬量子位元以上才合格，以現階段 72 量子位元及錯誤率無法降低的狀況來看，量子電腦還有許多困難等待突破。

Intel

今年 CES，Intel 執行長布萊恩‧科贊奇（Brian Krzanich）展示了代號為「Tangle Lake」的 49 量子位元（qubit）的超導測試晶片。

跟先前推出 17 量子位元（qubit）的規格相比，已經取得相當大的進展，Intel 副總 Michael Mayberry 談到，商業化是每間公司的最終目標，但至少還要 5 到 7 年才能從技術進入商品化階段。

D-Wave

D-Wave 系統公司，是一家來自加拿大、創立於 1999 年的量子電腦公司，2011 年推出第一台商用量子電腦，但當時能解決的問題及性能相當受限。

量子電腦擁有強大的運算速度，靠的是量子疊加（superposition）、量子纏結（entanglement）兩大量子特性，但 D-Wave 推出的電腦並沒有發生量子纏結，於是使用一種叫「量子退火」（quantum annealing）技術，讓每個量子位元和附近的量子位元相互糾纏。

D-Wave 是目前唯一正式出貨量子電腦的公司，而 Google 一開始開發量子電腦時，也是使用 D-Wave 的量子電腦研究。

Rigetti

成立於 2014 年的 Rigetti，是一家量子電腦新創，目標是「打造世界最強大的電腦」，已獲得超過 6,900 萬美元融資，專門生產開發量子電腦的軟體。

2016 年 6 月，Rigetti 推出 8 量子位元晶片，以及叫「Forest」的雲端服務，讓開發者可在上面寫代碼，模擬量子電腦運作的情況。

阿里巴巴

從 2015 年開始，阿里巴巴就開始關注量子運算領域，宣布聯合中科院成立亞洲首個量子計算實驗室。

匈牙利裔美國計算機科學家馬里奧‧塞格德（Mario Szegedy）、密西根大學終身教授施堯耘都是阿里雲量子實驗室（AQL）成員，今年 5 月，團隊宣布成功研發名為「太章」的量子電路模擬器，這款軟體模擬器將有助加快量子電腦研發。

Reference: http://technews.tw/2018/05/16/quantum-computer-competition/

下個世代運算工具，揭開量子電腦神祕面紗

2016 年 4 月，當時上任不到一年的加拿大總理杜魯多（Justin Trudeau），在一個公開場合以 35 秒解釋什麼是量子電腦，影片在網路大量轉貼、討論；隔年 3 月《經濟學人》雜誌就以「量子躍遷」（Quantum Leap）為主題，介紹量子技術的展望，讓量子電腦躍上大眾視野。

微軟執行長薩蒂亞‧納德拉（Satya Nadella），也曾將人工智慧（AI）、混合實境（MR）、量子電腦，並列為重塑未來世界的 3 種開創性技術，Google、IBM、Intel、微軟，以及許多研究人員近來也都以打造商業使用的量子電腦為目標。雖然這項顛覆以往思維的運算技術仍在起點，但你我都應該從現在開始認識量子電腦，了解這項科技將在未來扮演關鍵角色。

▲ 加拿大總理杜魯多（Justin Trudeau）面對記者提問，解釋什麼是量子電腦，贏得現場群眾一陣掌聲。

運算速度更強大，拆解量子電腦背後原理

量子電腦的概念，來自 1982 年物理學家理察‧費曼（Richard Feynman）將量子體系用於運算的想法，不過在那個年代都僅止理論推導，卻也是翻轉現代電腦科學重要的關鍵點。簡單來說，量子電腦的運算速度超越現在你我使用的傳統電腦，以更快的速度解決生活各項難題。

一般電腦（包括桌機、筆電、平板、智慧型手機）都採用二進位制的計算單位「位元」（bit），意思是 0 與 1 的二分法，一次只會出現 0 或是 1 單一狀態，也就是「yes / no」形式；量子電腦則採用「量子位元」（qubit），這種計算方式有「疊加」（superposition）特性，可以同時出現 0 與 1，產生 00、01、10、11 的疊加狀態，也就是「yes / no / both」形式。

《華爾街日報》曾比喻，如果傳統位元是靜止的硬幣，一次只能出現正面或反面，量子位元就像旋轉中的硬幣，正反兩面都可以同時出現；或者也可以將傳統電腦想像成單一種樂器，量子電腦就像眾多樂器組成的交響樂團，能同時演奏不同段落。

▲ 量子電腦就像眾多樂器組成的交響樂團，能同時演奏不同段落。（Source：pixabay）

量子電腦之所以稱為「下個世代的運算工具」，是因為可多管齊下、同步測試各種可能找出答案，透過量子電腦，可以幫助人類在短時間內完成一般電腦花上數十年才能解決的問題。

之所以能擁有這麼快的運算速度，靠的是量子疊加（superposition）、量子纏結（entanglement）這兩大量子特性。

量子疊加指的是每單位可以 0 或 1、0 與 1 相互疊加，形成 00、01、10、11 四種組合；量子纏結則是指量子位元可以分組聚合、同步計算各種可能性，也因為如此，運算能力才能大幅提升。

目前面臨的技術困境？

穩定性不足

量子電腦這項科技已存在，但要能實際商業應用，仍有許多困難需要克服，目前量子電腦的穩定性不夠，容易受熱能、電磁輻射等外在環境干擾，必須將處理器放在絕對零度（零下 273 攝氏溫度）的環境，才能讓人類與量子電腦一起工作，目前為止因為打造這樣的環境條件需要相當困難的技術，導致量子電腦發展速度受限。

錯誤率有待降低

此外，要達到商業化的目標，處理器要達到 50 量子位元、雙量子位錯誤率低於 0.5% 的標準，才能符合「量子霸權」（quantum supremacy）定義。Google 今年 3 月推出 72 量子位元處理器「Bristlecone」，雖然已達標準，但目前錯誤率的穩定仍是一大關鍵。

▲ 為了避免熱能、電磁輻射等外在環境干擾，必須將處理器放在絕對零度（零下 273 攝氏溫度）的環境。（Source：Intel）

開發量子軟體

最後，量子電腦要能真正發揮作用，同步開發量子軟體也很關鍵，高度運算複雜度，使開發人員必須具備一定程度的物理、數學、軟體工程知識，但由於初期研發的量子電腦硬體規格不一致，所以軟體大多必須客製。

量子電腦預計 10 年內就能從實驗室邁向商用，為人類生活帶來天翻地覆的衝擊。在未來世界，誰能掌握量子電腦技術，就擁有優勢制霸權，也因此各家科技大廠、各國政府無不積極迎戰，就像前微軟首席研發策略長克雷格‧蒙迪（Craig Mundie）說的：「這是 70 年來，我們第一次建構一個完全不同的運算系統，這並非升級或改進，而是完全不同性質的新事物。」

Reference: http://technews.tw/2018/05/15/secret-of-quantum-computer/

全面取代傳統電腦，人類該害怕量子電腦嗎？

除了人工智慧（AI），具有高速運算優勢的量子電腦（quantum computer）也是未來值得關注的明日之星，IBM、Intel、Google、微軟等科技大廠紛紛投入研發資源，爭奪量子霸權。不過看似方便的新科技，卻也有潛在危險性。

俄羅斯、中國，以及所有電腦科學的強國，很快都會加入國家層級的AI競賽，這很可能會引發第三次世界大戰。」特斯拉創辦人伊隆．馬斯克（Elon Musk），曾經這麼提醒世人人工智慧（AI）潛在的危險性。

AI無疑是重要的科技趨勢，當全球都在設想AI將對社會帶來的衝擊時，可以快速分析、整合龐大數據，進一步影響AI學習能力的量子電腦（quantum computer），雖然離商業化仍有一段距離，卻是你我從現在就該開始關注的焦點。

量子電腦並非科幻小說的情節，跟一般電腦相比，量子電腦擁有極快的運算速度，傳統電腦用簡單的0與1位元（bit）來儲存資訊，而量子電腦可以將0或1、0與1相互疊加，處理更多、更複雜的資訊。

簡單來說，可以把傳統電腦想像成單一種樂器，量子電腦就像是眾多樂器組成的交響樂團，能夠一次同時演奏不同的段落，也就是說一台量子電腦，可以在短時間內完成一般電腦需要花上數十年才能解決的問題，因此被稱為「下個世代運算工具」。

高速運算優勢，卻也可能引發國安危機

量子電腦的高速運算優勢，可以讓大量數據在極短時間運算完成，可以對未來社會、生活帶來許多好處。

例如，量子電腦可以打造精準的氣候模型，幫助人類立即分析所有氣象資料，細部分析氣候影響區域與時間，讓天氣預報更精準；量子電腦還能幫汽車規劃最佳行徑路線、避開塞車路段，商業化應用後將能協助物流業做更加完整的物流運送規劃；就研發而言，藥廠可以讓量子電腦分析各種成分的交互作用、嘗試各種成分組合，除了能讓新藥研發過程加速，更能大幅縮短新藥上市時間以及降低研發成本。

不過，看似方便的新科技，也可能如同打開潘朵拉的盒子一樣危險，工研院產經中心經理林澤民就以虛擬貨幣的公鑰與私鑰舉例， 傳統電腦要解開私鑰約需耗費1,092億年，但在量子電腦的幫助下，100量子位元的量子電腦只需要三個小時就能破解，對資安甚至國安都是一大威脅 。因此目前美國、日本為了因應量子電腦時代，都開始投入新密碼架構的研發。

但就目前所知，還沒有任何國家政府為量子電腦未來做好準備，例如將電腦升級、使用RSA加密演算法等。不過各家科技大廠早已投入資源搶先布局。

科技廠投入研發，爭奪「量子霸權」

近幾年IBM、Google、微軟（Microsoft）、Intel等各家科技大廠都紛紛投入量子電腦大戰。Intel、IBM都在今年的國際消費電子展CES上，展示最新的量子電腦晶片，而微軟更是從12年前開始投入量子運算研究，在去年12月推出一款協助開發者開發量子電腦的軟體的程式語言「Q#」，微軟量子電腦團隊負責人霍姆達爾（Todd Holmdahl）表示，量子電腦預計五年內進入商業市場，若達成此目標將會是科學的一大進展。

各家大廠磨刀霍霍投入大量資源做研發，為的就是達到「量子霸權（quantum supremacy）」的目標。

「量子霸權」是2012年，由加州理工學院物理學家焦恩·普瑞斯基爾（John Preskil）所提出的概念，意思是當量子電腦發展到50量子位元（qubit）時，運算能力將會超越世界上所有電腦，具有解決傳統電腦所解決不了問題的能力。

IBM

去年11月，IBM宣布研發出全世界第一台50量子位元（qubit）的量子電腦，在CES 2018中正式亮相。

1998年IBM就開發出第一個量子位元，在公開展示50量子位元電腦內部結構時，IBM研究主席Jeffery Welse表示，目前所遇到最大的挑戰是溫度，因為量子位元可能因為噪音等干擾導致數據流失，為了將干擾降到最低，必須將處理器放置在比太空還冷上250倍的低溫環境中。

Jeffery Welser談到，IBM有信心在來十年內打造出一台具備50到100位元的量子電腦，「只需要幾分鐘的時間，就能得到傳統電腦花費五天運算才能得到的結果。」雖然目前IBM量子電腦的應用大多仍處於科學研究階段，但50量子位元（qubit）的出現，也激起不少人對於量子運算的期待與想像。