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量子计算机的应用

  • 林育中
由于量子位元与量子算法独特的性质,量子计算机预计先会被应用于4个领域:材料科学、制药、通讯和AI。(图片来源:Pixabay)

最近Google发表了72位元量子计算机Bristlecone,科技新闻多加了量子霸权(quantum supremacy)的脚注。量子霸权一语有点误导,量子计算只在特定的演算问题BQP(Bounded error, Quantum, Polynomial time)上相对于2进位von Neumann架构传统计算机有优势,而且在有些问题的优势只是平方倍(quadratic),有些才是指数倍(exponential)的优势。但无论如何,量子计算机在BQP问题上有优势是没有疑义的,这也定义出量子计算机的应用方向。

由于量子位元与量子算法独特的性质,量子计算机预计先会被应用于4个领域:材料科学、制药(pharmaceutical)、通讯和AI。

材料科学现在的研发方式多是先定义所需要的物性,譬如电、磁、光、压力、热等,然后以第一原理计算(first principles calculation)计算各种可能元素、二元素(binary,2种元素的化合物)、三元素(ternary)等的物性,找出其中适合需求的材料。这个计算牵涉到物体晶格的能带,基本上需要用到量子力学,而量子计算机最早期的规划用途之一,就是要寻求牵涉量子力学问题的快速解决,这也是Feynman于1982年著名的论文Simulating Physics with Computers中所倡议的。材料科学与纳米科技-操控微小粒子的技术-现在正处于大爆发期,而未来半导体技术的演进虽然无法像摩尔定律那样锐进,但是依靠材料科学的进展,制程的微缩与优化仍然可以持续进行。所以台湾即使不直接投入量子计算机的研发,也要在量子计算机的应用上急起直追。

制药上的适用理由也类似。现在大部份的药品还是以合成方式制成,而其产品的药性也可以用上述的第一原理计算查找、筛选适用化合物。

在通讯上的应用主要是网络安全机制,主要的骨干是量子讯息中的另一次领域量子通讯,但是量子计算机在其中仍然有角色可以扮演,譬如量子钥匙配送(QKD;Quantum Key Distribution,这是韩国KIST在量子信息领域的研究首要项目)、量子乱数产生(QRNG;Quantum Random Number Generation)等。

在人工智能的应用上,量子计算机在寻找极值(optimum)此一程序比传统计算机享有天生的优势。寻找极值是机器学习很常见的一个程序,譬如AlphaGo的程序就有一部份在评价每一棋步的价值,而下的指令-下一步棋的位置-就是这个评价寻找极值结果的最大值。但是传统计算机的机器学习很容易陷于局部极值(local optimal)的困境。以山岭来比喻,一个山岭在邻近的区域中可能是最高点,但它不是玉山之巅,可是往周遭各方向走却都是下坡路,违反程序寻求最大值的目标。这样的问题通常要在算法中另外处理,跳脱陷阱。量子位元本身却天生包括了所有可能的状态,不容易陷入这种困境。

量子计算机到商用还有一些时日,但是量子算法不是一般资工系、所的基本学习内容,目前人才欠缺。台湾如果要发展量子计算机,先期培训量子算法人才是必要储备,这是元件设计、测试的基本能力。即使不发展量子计算机,有监于它广泛的应用范围,开始培训量子算法人才也是必要的。有些商业公司已经开始提供租用量子计算机、培训量子算法种子人才的服务,可以认真考虑这些机会。

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。