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量子霸权年代?—嘈杂中级量子时代

  • 林育中

量子霸权年代真的到了吗?现在还要奋斗的方向还很多—初见到了曙光,但是一切都是远景。IBM

9月18日IBM宣布其IBM Q会将其「量子舰队」增加为14个系统,其中有一个系统有53个量子位元。无独有偶,金融时报于9月21日报导Google将一篇论文置于NASA论文网站,随后即遭删除,但是论文已在网络可见,标题是“Quantum Supremacy Using a Programmable Superconducting Processor”。Google于量子计算领域一向低调,此次用媒体式的标题「量子霸权」有点令人感觉意外,虽然量子霸权一语是由学者John Preskill所提出的。

这部量子计算机叫梧桐树(Sycamore),有53个量子位元,是超导体电荷量子位元的一种transmon,与IBM所使用量子位元的种类是一样的。Transmon形成的量子位元基本上是以这量子位元超导体岛(superconducting island)上有无多余的古柏对(Cooper pair)电子来决定其量子状态,设计的特性在于降低量子位元对于环境电荷的敏感性。现在transmon的相关时间(coherent time,可以粗略想象为量子位元上量子状态存活时间)已达到100μs,比以前长很多,也就是量子位元可以维持相当长的时间,容许比较从容的做计算。此量子位元线路基本上是个6x9个方形交错的阵列,有一个量子位元坏了,所以总共是53位元。每个量子位元与四周的量子位元间都有一个藕合器(coupler),这是量子位元之间形成量子纠缠的元件。每个量子位元外接两个控制器,一个是微波驱动器用以激发量子位元-每个量子位元上至少需要两个量子状态,一个是磁通量控制器用以调量子位元频率。另外每个量子位元还有一共振器,用以读取量子位元。这就是Sycamore量子计算机的装置梗概。

由于是初问世,论文内容主要是探讨量子计算机的可靠性。用的是随机线路(random circuit)。最多选择全部53个量子位元,然后在这些量子位元上先施加随机单量子位元闸(single qubit gate)操作,改变量子位状态,然后随机选择数对量子位元,操作随机二量子位元阐(two qubit gate),叠加或纠缠二量子态。这样的周期反复20次。

虽然线路看似随机而杂乱无章,也没有特殊的算法,却也有实际的应用,譬如产生随机数。因为量子位元具有内在的机率特性,产生的乱数是真实随机数,而不是像传统计算机所产生的伪随机数。预测的保真度(fidelity)虽然只为0.2%,但这问题可以对同一量子线路百万次测量来解决—百万次测量可以降低不确定性一千倍。

接下来就是这些53个量子位元最令人上心的性质。53个位元有253约1016个状态,最顶尖的超级计算机-譬如Summit-也没有DRAM容得下这么多状态。用Sycamore计算同一线路重覆取样一百万次只需200秒,其中量子处理器其实只用了30秒,其余的是周边控制线路耗费的时间。但是若以最强的传统超级计算机执行类似费因曼路径积分(Feynman path integral)以模仿此量子随机线路,估计需要一万年。更好的模拟线路也许可以再缩短一些时间,但这与量子计算机计算时间9个数量级的鸿沟是无法跨越了,这就是那略嫌夸张的字眼「量子霸权」所著墨的。

但是量子霸权年代真的到了吗?远著呢!50个量子位元实在不足以解决真正的量子问题—差不多刚好够计算单一个苯环的结构,而且目前有用的量子算法还真的一只手的手指数得完。用超导体的性质当量子位元虽然相关时闲比用固态物理的量子位元长,比NMR、离子陷阱(trapped ion)量子位元容易操控且位元多,但反过来説优点也就是缺点。现在还要奋斗的方向还很多:开发新型态量子位元、增加量子位元数、容误(fault tolerant)、量子误差校正、发展新算法等。用John Preskill所倡议的另一个名词NISQ(Noisy Intermediate-Scale Quantum;嘈杂中级量子时代)来?述目前的发展现况也许更为贴切—初见到了曙光,但是一切都是远景。

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。