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量子計算機是科技發展重要項目
2020/12/08 01:04
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量子計算機是科技發展重要項目

一、      量子計算機簡介  

    相對論及量子力學是近代物理的兩大支柱,量子力學可解釋許多自然現象也有許多實際用途,量子有疊加與糾纏兩個重要性質。在量子的世界中是不確定的,可以有部分機率是一種狀態,同時也有部分機率在另外的狀態,這樣的性質就是量子疊加,在古典物理中,一個系統只能處於一種物理狀態,就好比傳統計算機的記憶體位元只能處於0或1狀態,在實際測量量子狀態之前,我們無從得知系統是處於那種狀態;而量子狀態在測量之後,就會成單一的古典狀態。糾纏是數個量子態之間的奇妙連結,是量子現象自然的一環。量子計算便是以糾纏和疊加來計算開始的始初態,之後便以量子閘來執行量子演算法所需的運作。量子演算法可以快速進行的原因是因為糾纏與疊加量子位元後所造成的量子狀態運作時是平行運算,這是量子霸權的技術與科學基礎。   

    量子計算機為什麼遠勝過超級計算機,因為傳統計算機都是照一定規則處理“0、1二進制數據。所有文字、圖片、視頻等信息,在計算機中都可以用“0、1”數據來表示。每一位0或者1都被稱為一個比特。在傳統計算機中,一個比特在某次計算中要麼是0,要麼是1,只能表示為一個狀態。而如果藉由前面所提到的量子疊加態概念,量子疊加態是指粒子可以存在於疊加態中,能同時擁有兩個相反的特性,也就是我們說的波粒二象性。用量子來做計算機的比特,則一個“量子比特”可以同時既為1,也為0。以10個比特為例,傳統計算機一次只能表示0至1023這1024個數中的某一個數(2的10次方為1024),若這10個比特為量子比特,則每一個比特都可同時表示為0和1,這10個比特可以同時表示1024個數,遠遠高於傳統計算機只能表示一個數。因此,量子計算機將能夠極大地提昇運算能力,量子計算機將可助於核試爆、高新技術武器模擬和等軍事領域之計算,在民生領域,如氣候預測、疾病醫療、石油勘測也有很大助益,所以全世界都想掌握量子計算機。  

二、      兩岸量子科技比較  

      12月4,中國科學技術大學的潘建偉、陸朝陽等人構建了一台76個光子100個模式的量子計算機“九章” ,它處理“高斯玻色取樣”的速度比目前最快的超級計算機“富嶽”快一百萬億倍。也就是說,超級計算機需要一億年完成的任務,“九章”只需一分鐘。同時,“九章”也等效地比谷歌去年發布的53個超導比特量子計算機原型機“懸鈴木”快一百億倍。“九章”的成果,就是實現了量子計算優越性。基於量子的疊加性,許多量子科學家認為,量子計算機在特定任務上的計算能力將會遠超任何一台經典計算機。2012年,美國物理學家JohnPreskill將其描述為“量子計算優越性”或稱“量子霸權”。2019年,谷歌第一個宣布實現了量子優越性。他們用的量子計算機叫作“懸鈴木”,處理的問題大致可以理解為:判斷一個量子隨機數發生器是不是真的隨機。 

  九章在同樣的賽道上,比懸鈴木快一百億倍,“九章”的成果確立了中國在國際量子計算研究中的領先群地位。而在量子通信方面,中國明確是世界最先進的。”量子科技被科學家認為將引爆第四次工業革命,量子技術是量子物理與信息技術相結合發展起來的新學科,主要包括量子通信和量子計算2個領域。量子通信主要研究量子密碼、量子加密及遠距離通信的技術,量子計算主要研究量子計算機和適合於量子計算機的量子算法。英國政府發布的《量子時代的技術機遇》報告顯示,中國量子科技的論文發表排在全球第一、專利應用排名第二。在“第二次量子革命”的起步階段,中國異軍突起進入“領跑陣營”。這個團隊指的就是潘建偉團隊,中國的量子技術是全世界第一,而這其中要多虧了潘建偉教授。2017年5月3日,世界上第一台超越早期經典計算機的光量子計算機誕生。這個“世界首台”量子計算機是由中國科技大學潘建偉教授及其同事研發的成果。

    2019年4月,潘建偉團隊實現了國際上最大規模超導量子比特糾纏態12比特的製備,通過設計和加工了高品質的12比特一維鏈超導比特芯片,並且採用並行邏輯門操作方式避免比特間的串擾,以及熱循環操作去除不需要的二能級系統對於比特性能的影響,首次製備並驗證了12個超導比特的真糾纏,保真度達到70%,打破了2017年創造的10個超導量子比特糾纏的記錄。此卓越成就讓潘建偉教授35歲就獲世界大獎——菲涅爾獎,中國大陸非常重視量子計算機的研究,2016年“十三五”國家科技創新規劃中,將量子通信與量子計算機列入“科技創新重大項目,2017年列入“十三五”國家基礎研究專項規劃中,量子通信與量子計算機被列為“事關未來發展的重大科技戰略任務”的首位。此外,2020年計劃開放安徽省合肥市量子信息科學國家實驗室,這將是世界上最大的量子研究機構。反觀台灣一直陷於政治紛擾中,政府不提倡科技,量子計算機領域也只是跟著美國IBM釋出的訊息走,缺乏獨自創新的能力。 

三、      量子霸權及量子計算機對未來世界的影響  

    2019年有兩件引起世人關注,一個是IBM公司在年初的國際消費類電子產品展覽會(CES上,展出了最新的量子計算機模型,另一個,則是谷歌在《自然》雜誌上發文,宣告“量子霸權”,IBM傳達的只是:把以往被關在數十平方米計算中心裡的量子計算系統,做到了能夠一體化交付的狀態但離真正意義上的商用還相去甚遠。谷歌在《自然》雜誌上發表的(用可編程超導處理器實現的量子霸權)的論文,助其率先實現了量子霸權。論文提到,谷歌團隊研發出了一款由54個量子比特(qubits)組成的量子處理器,命名為西克莫,它只花約200秒的時間完成超級計算機來需要花1萬年才能完成的任務。阿里達摩院發布的2020十大科技趨勢中,趨勢七就是量子計算進入攻堅期。量子計算機技術的實際運用,在經濟上,信息時代是被各種軟件和硬件所支撐的,金融、科技、、軍事、行政、基礎設施等方面的數據庫就是“心臟”,一旦“心臟”陷入癱瘓,所有軍事、行政、經濟基礎都將陷入癱瘓。量子計算機出現後,幾百萬年破譯不了的信息都能破譯,也就是說,一旦一國掌握了量子霸權,其他國家軍事、政治、銀行、基礎設施等諸多方面的數據庫都將很容易遭到攻擊,無論再強大的國家都可能在瞬間癱瘓。例如在導彈攔截過程中,攔截導彈的運行速度及攔截方運算的速度是戰鬥勝利的關鍵,各國比拼的實際就是飛彈軌跡運算速度,量子計算機的速度優勢是無庸置疑的。

 

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