量子電腦:超越今日所有電腦運算能力的技術即將誕生/解聰文

今年三月,筆者寫了一篇預測各種區塊鏈技術用途發展的文章,而外界對於這篇文章最大的疑慮,在於「那麼強的運算能力要從哪裡來?」;現在,本文就來為這個問題提供一些答案。

2016年10月,其實也就是一個星期之前,澳洲的科學家在穩定的量子運算方面創下了最新記錄;如果您對這方面的技術細節有興趣,可以參閱「Science Alert」網站上的相關文章

請放心,這裡不會在談太多細節,讓您頭昏腦脹,因為筆者自己也不是專家。 :)

https://tuna.press/?p=760

量子電腦的強大功能

不過,從20年前第一次讀到關於量子物理和相關科學應用的書籍時,我就對這個主題深深著迷。簡單的說,就是一般電腦是以「0」和「1」的變化來表現資訊,而量子電腦則是以「量子位元」(qubit)作為單位;而qubit的狀態除了0和1之外,還有「0與1」(0 AND 1),所以它能進行遠比傳統電腦更大量的運算。[footnote]如果您真的對技術細節感興趣,推薦您閱讀〈Basic concepts in quantum computation〉這篇技術入門文章。[/footnote]

而且,qubits電腦的運算能力,是以等比級數成長的;舉例來說,一部可以處理5個qubit的電腦,就能同時進行25項運算。而現在「5 qubit晶片」已經不只是範例,而是已經存在的東西。其中一套由IBM營運,而且每個人都可以(虛擬)使用

根據前面提到的文章,澳洲科學家們應該有辦法在12–18個月內造出功能穩定、可以處理多達50 qubit,也就是能同時進行2,500項運算的量子晶片。

此外,Google的D-Wave已經可以處理多達1,000 qubit以上,但目前只有在特殊狀況下、而且同時使用多個較小的晶片時才能作用。

今天的超級電腦

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同時具備320萬個Intel運算核心的「天河2號」超級電腦。來源:Sam Churchill/Flickr

目前全世界最強大的超級電腦,是位於中國廣州的「天河二號」。這部巨大的電腦擁有多達320萬個Intel運算核心(包括32,000個2.2 GHz時脈速度的Intel Xeon E5–2692 12C處理器,以及48,000個Xeon Phi 31S1P處理器);這部電腦的建造成本高達4億美金。

現在重點來了:剛才提到的量子晶片,目前全世界前三大競爭廠商包括Rigetti、D-Wave(Google)、以及IBM,都可能在明年造出比「天河2號」速度更快的超級電腦。

只要一個量子晶片,運算能力就能輕鬆超過320萬個傳統運算核心。

換言之,只要一個量子晶片,運算能力就能輕鬆超過320萬個傳統運算核心。想想看,這樣一來,或許以後研發人工智慧技術的科學家,就不會在運算能力方面碰到現在的瓶頸了。

各種人工智慧技術的研究,尤其是醫療和大數據相關的部份,都需要非常龐大的運算能量;如果將來市面上有幾千萬、甚至幾億的物聯網產品,它們所產生的數據也需要極大的運算能力來處理。

有了這樣的運算能力,未來將會有許多現在連想都想不到的應用陸續問世。

摩爾定律提早退休

過去,許多人都以為摩爾定律不僅可以適用於2020年代,甚至一路用到2030年代;但因為上個星期發生在澳洲的成就,或許摩爾定律退休的日子會提早。Peter Diamandis甚至認為,發生的時機會大幅提早到2018年

當然,眼前的這條路不見得會像Diamandis想像的那麼順利,但有件事情是可以確定的:我們正在往大幅提升全球電腦運算能力的方向,重重邁進了一大步。「天河2號」目前的運算能力是大約每秒34 petaflop(一個petaflop等於1015次運算);目前做得出來的50 qubit量子晶片,運算能力則大約等於1 petaflop。

幾年之內,就會有效能超過現今全球電腦的單一晶片出現。

目前全世界電腦運算能力的總和,大約是2 x 1020 flops,等於5,800部「天河2號」、或是5800組新的量子晶片;而只要每進一步,例如從50 qubit進步到51 qubit,運算能力就有等比級數的增加。

精彩可期

而這只是量子運算的開端而已。量子電腦現在還只在嬰兒時期,而且還得先等冷卻之類的問題解決;但即使如此,我們還是有機會在幾年之內,看到運算能力比2015全世界電腦加起來都強的單一量子晶片問世。對這一點,我們都可以寄予厚望。

不過有一點要話說在先:目前為止,量子電腦還不能視為傳統電腦的替代品;因為短時間之內它還無法普及,所以只能應用在一些特別的用途上。隨著技術的進步,這一點應該會在未來有所改變。

剩下的問題,只是這些會在什麼時候發生。或許如富士通電腦公司和加拿大多倫多大學的研究所顯示的,傳統電腦還有一些發展空間,但我們在未來幾年之中,將有機會見證電腦在運算能力上的飛躍進展。