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量子运算能算什么?

  • 林育中

一般用途量子算法的发展迟滞不单只是因为硬件发展不成熟,也因量子世界行径迥异于日常经验,进而限制了其应用范围。微软

去年是量子讯息科学风起云涌的一年。受到之前中国大陆发射墨子卫星、设立量子讯息与量子科技创新研究院、布置京沪量子通讯骨干网络等发展的影响,美、欧、日、韩等国都发布了高层次的国家量子科技政策,而台湾也集成产学、启动了几个大型计画。量子讯息包含了量子通讯和量子运算等领域,量子通讯能保障通讯安全,是国家安全议题。但是量子运算能做什么?这是个基本问题。

若是2~3年前问这个问题,答案很令人尶尬。虽然理论上量子运算比传统运算要快很多,因此才会有「量子霸权」这一词,但是一方面目前的量子位元数量不够多,而且杂讯很多、因而量子纠错码(quantum error correction codes)负担很大,缺少实作空间。另一方面,成功展示量子运算效率优于传统运算效率的算法还不少,但真正有应用价值的寥若晨星,事实上只有2个——Shor's algorithm和Grover's algorithm。

前者是质因素分解的量子算法,相较于传统算法,是「指数加速」(exponential speedup)。快是快了,改善极为显著,但应用是破坏性的。现在的通讯运行基于公钥基础设施(Public Key Infrastructure;PKI),而PKI的安全性有赖于大数质因数难以用传统算法分解。Shor's algorithm的出现将彻底颠覆公钥基础设施,因而许多国家的量子通讯硏发走的比量子运算要急——攸关国安,轻忽不得。

Grover's algorithm应用于大数据的查找,在一个没有仼何资料结构的资料库中查找一笔特定资料,Grover's algorithm相较于传统算法有平方加速(quadratic speedup)的优异表现,这也许是过去唯一对实际应用有建设性的量子算法。

算法的缺乏,大大限制了应用的范围。一般用途量子算法的发展迟滞不单只是因为硬件的发展不成熟,而且量子世界行径实在迥异于日常经验,是以美国的量子政策要从小学教起,从小开始学才会变成人的本能。

2017年开始有些变化。过去以传统计算机运算稍为复杂的原、分子本征态(eigenstate)的确近乎天方夜谭。以占汽油最髙25%的苯(C6H6)为例,它的组成单纯、结构简单,就是六角形的苯环,牵涉到化学键的电子只有42个——6个碳原子各有6个电子,再加6个氢原子各有一个电子参与作用,但是如果用传统计算机算,这是一个1044维度的问题,运算想都不用想。

IBM团队首先于《Nature》发表了以6个量子位元运算BeH2的基态能量,用的是变分量子本征解算法(variational quantum eigensolver algorithm),是个不折不扣的量子算法。接下来由奥地利、澳洲和美国的合作团队用了仅4个量子位元以相同的量子算法运算了H2和LiH的基态能量。现在这类的研究正在快速开枝蔓叶中,而且随著能稳定控制的量子位元数成长,能够运算的结构也愈来愈复杂。

看来还是物理不世出的天才费因曼的眼光凖确,他在1982年量子计算机议题初兴起时就主张以量子计算研究量子问题,现在这个路径要先驰得点了。这样说来好似量子运算短期内应用会被限制于基础科研?那也未必。量子化学只是牛刀小试,可以看到的立即关连有新药研制(pharmaceutical)以及材料开发,而这两者与生医、能源、半导体等的关系就别说有多近了。

现为DIGITIMES顾问,1988年获物理学博士学位,任教于中央大学,后转往科技产业发展。曾任茂德科技董事及副总、普天茂德科技总经理、康帝科技总经理等职位。曾于 Taiwan Semicon 任咨询委员,主持黄光论坛。2001~2002 获选为台湾半导体产业协会监事、监事长。现在于台大物理系访问研究,主要研究领域为自旋电子学相关物质及机制的基础研究。