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量子計算時代近了嗎?量子電腦如何解決傳統電腦所遭遇的5個棘手問題



發布日期: 2020-01-20-2021-01-20

迥異於一般二進位運算方式的量子計算,量子計算這個話題在網路上蔚為熱門話題,根據Google在去年10月的Nature期刊發表的論文顯示,該公司的量子電腦處理器Sycamore(包含54個量子位元(qubit)),在200秒內完成的一項任務,如果用當前全球最好的超級電腦完成,需要約一萬年,宣稱已首次實現「量子霸權(quantum supremacy),指超越傳統超級電腦的運算能力」,以此看來,似乎量子運算的時代即將來臨。
 
量子計算確實會改變一切,克服一些傳統電腦面臨的障礙,不過要注意的是,在現階段,量子電腦的出現並非要取代傳統電腦,以性能來看,目前量子電腦可以做到的事情,超級電腦也可以做到。但是當量子電腦的發展超過50qubit以後,而相關的應用領域也發展成熟,就會凸顯出它的價值與優勢。
 
不過,首先來看量子計算如何解決5個傳統電腦所遭遇的棘手問題。
 
1.加密與網路安全
 
自從有RSA加密以來,它一直是一種可靠的,不可破壞的加密方式,這是因為要分解非常大的質數的乘積,超過許多電腦的能力,因此保護了世界上無數資料與通訊方式。
 
但是有了量子電腦就不一樣了,使用Shor演算法,它可以相對輕鬆地破壞RSA公開加密。這引起了很多關於何時該換掉RSA系統的討論。有些人主張增加公共加密密鑰的長度,直到擊敗量子加密必需的時間,而另一些人則主張使用量子計算來進行加密。
 
2.金融服務
 
近一個世紀以來,經濟學一直試圖建構完善的市場行為模型,以期預測對整個經濟市場的重要破壞性事件。借助量子計算,這些模型可以擴展納入更多變量,產生更精確的模型並提高其預測能力。
 
將這些更複雜的模型結合量子計算處理,從極為龐大的大數據資料庫撈出資料,使得這些模型(被一些批評家認為是不科學的猜測)有可能預測對全球產生巨大影響的事件。
 
3.藥物研發/量子醫學
 
當化學家研究新藥物時,他們的大部分工作是在化學式中測試數百種可能的變量,以便找到治療各種疾病所需的配方。
 
這個過程是實驗性的,通常會導致新藥投放市場的開發時間超過10年,通常花費數十億美元。如果像金融市場一樣,把所有變量都用量子電腦同時處理呢?
 
4.供應鏈物流
 
在整個歷史過程中,物流的重要性已廣為人知,問軍人和商人就知道。
 
一直以來,試圖協調與確定最有效的商品進入市場,一直是商業和科學領域最難以捉摸的目標之一,但是當企業可能擁有全球供應鏈來進行交易時,這種挑戰從未比今天更重要。
 
過去用超級電腦窮盡一生也算不出來的答案,交給會疊加也會糾纏(註:量子位元的兩種特徵)的量子位元就對了,所以它們會將任何給定的運算應用於疊加表示的所有可能值。量子計算可以將最困難的最佳化問題的操作數目降至最低,讓傳統電腦也可以迅速找到最佳答案。
 
5.超越指數級成長的資料分析能力
 
網際網路呈爆炸式增長,加上電腦運算能力飛速發展,雲端的發展以及資料儲存的能力一日千里,這助長了21世紀的大數據革命,但是大數據累積的速度卻是超過了我們處理和分析它的能力。根據統計,人類歷史上產生的所有資料中,有90%是在最近兩年內產生的。
 
這麼龐大的資料量如何運用?MIT的科學家與Google合作,以數學方式證明了量子計算機與受到監督的機器學習配合使用時,讓資料分類速度也能呈指數級增長。
 
雖然目前仍停留在理論,但是一旦量子計算機能夠具備足夠多的量子位元來處理這些資料,僅此算法就可以在破記錄時間內處理前所未有的資料量。
 
量子霸權的競賽
 
世界各地的領導廠商如IBM、Google等正努力催生實用的量子電腦。創造出第一批實際可用的量子電腦的政府與企業將迅速擺脫其競爭對手,取得量子計算的超級領先優勢。預計這些發展將在未來十年內,甚至最早在今年,就開始影響文中所提到的5個領域。
 
實用的量子計算正在迅速接近現實,並且在量子電腦起飛之後,徹底改變人類的生活。