量子霸權與量子處理器，如何結合CPU / GPU？

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科技產業資訊室 (iKnow) - May 發表於 2018年3月14日

圖、谷歌推出72量子位元的量子處理晶片Bristlecone，右圖每個「X」代表一個量子位元

最近很熱門的話題--量子電腦或量子霸權(quantum supremacy)，一種以量子位元(qubits)為運算單元之量子處理器，成為AI人工智慧運作的新材料選項，也是企圖未來取代現在超級電腦。量子電腦將對社會經濟產生變革性影響，但可能仍須幾十年的時間才會實現。所謂量子霸權，外界相信量子運算機器有朝一日將能解決傳統電腦無法解決的問題。

谷歌(Google)認為量子霸權時代近了。但這真正的意義，不在於量子位元的數量，而是你要用它來做甚麼。72或許不是一個大數字，但是從量子計算(quantum computing)的角度來說，這個數目非常龐大。就在2018年3月初，谷歌發表了具有72量子位元的量子處理晶片Bristlecone。[註] 量子位元(qubits)是量子處理器的基本計算單位。前記錄保持者是去年IBM宣布的一款50量子位元處理器。

谷歌Bristlecone保留了先前發表9量子位元線性陣列技術的物理結構，只是擴大成72個量子位元，它最佳的讀取錯誤率為1%，單量子位元閘的錯誤率是0.1%，雙量子位元閘的錯誤率為0.6%。谷歌該專案負責人John Martinis說，仍然需要進行更多的測試，目標是隨著量子位元增加的同時，藉由可靠的糾錯能力來降低錯誤率。但認為這款新晶片“很有可能”在今年或在短短的幾個月內實現“量子霸權”，就是量子電腦能夠進行快速運算並超越當今最快超級電腦。

當谷歌或其他團隊宣告量子處理晶片成功時，預期，量子電腦(Quantum computers)可以幫助我們發現新的藥物並創造新的材料，以及將密碼學(cryptography)翻轉。然而，也有量子專家持反面態度，例如：牛津大學的量子專家Simon Benjamin表示，”量子霸權” 有點令人困惑，並且超出了量子電腦能夠做到的事情。

量子基礎材料
量子電腦與傳統電腦在於將訊息儲存為1或0的位元不同，量子位元可以同時存在1和0的多個狀態，這種現象稱為疊加(superposition)。即使它們沒有物理連接，它們也可以透過被稱為糾纏(entanglement)的過程來相互影響。

這可歸結為即使少量的額外位元對傳統電腦功率只有微小的差別，但為量子處理器增加額外的量子位元可以指數性(exponentially)增加其計算能力。理論上來說，即使是當今最強大的超級電腦也比不上量子位元的處理速度。

然而，製造量子位元需要巨大的工程技術，比如建造超導電路以保持比外太空還冷的溫度（Google使用的方法）。這是使他們與外界隔離的必要條件。溫度或最輕微的振動現象(稱為“噪聲”)的變化可能導致量子“退相干擾(decohere)”，或失去其脆弱的量子狀態。發生這種情況時，錯誤會迅速蔓延到計算結果中。

當量子位元數越多，錯誤就越多。當然可以使用額外的量子位元或智慧軟體來校正，但是這也會損害機器的大量計算能力。在過去的幾年裡，先進的超冷卻(super-cooling)技術和其他領域的進步，因而提高了量子位元有效管理。但仍然在電力與複雜性之間如何取得平衡而持續戰鬥。

過去，研究人員認為49量子位元機器就足夠了，但去年(2017) IBM的研究人員能夠在傳統電腦上模擬49量子位元量子系統。傳統電腦也依然在發展，特別是中國一直投入巨資在技術研發，現在擁有世界上最強大的兩台超級電腦，利用較佳的演算法結合電腦企圖想改變處理晶片的霸權門檻。

Google Bristlecone重要時刻
此時，Google推出Bristlecone的72量子位元處理晶片。Google團隊使用Bristlecone計劃進行一項試圖證明量子霸權的測試。標準檢查程式(benchmark)的嚴格定義是傳統電腦無法執行任務。但是這也發生一個棘手的問題：如果一個量子電腦無法使用矽位元(silicon bits)晶片檢查它，你怎麼知道量子電腦是否產生了正確答案？為了解決這個問題，谷歌團隊計劃走到最前沿(the edge)，使用量子機器來解決目前超級電腦能力極限的算法，然後再增加一個量子位元就可以使量子設備遠遠超出傳統機器，在兩者皆合理時間內，進行模擬測試。

量子位元處理器之未來
儘管，量子位元處理器的複雜性和成本將限制它們的實用性，基於更經濟的選擇。例如：使用量子機器就像殺雞用牛刀一樣。所以，反而更應該討論“量子獨特性(quantum inimitability)”，換句話說只有量子電腦才能做的具體任務。

然而，隨著AI技術起飛，量子技術在創投圈及新創公司之間成為炒作議題。其實，期望值越高，量子機器的無法實現成為一種風險，這可能會引發投資者的流失及新創企業的正常成長。

該名詞quantum supremacy(量子霸權)於2011年加州理工學院理論物理學家John Preskill在的演講中創造了這個詞。今年(2018)1月，他發表了一篇論文，他說量子計算即將進入NISQ的階段，就是“量子噪聲中間階段 (noisy intermediate stage quantum)”，其中，量子機器將具有50至幾百個量子位元，“噪聲”意味著我們對這些量子的控制不完善，這種噪音將會嚴重限制量子機器在短期內能夠實現的目標。Preskill說，他仍然相信量子電腦將對社會經濟產生變革性影響，但仍然“可能還有幾十年的時間”才會實現。尤其，噪聲是一個很大問題待解決。

目前，量子霸權由三大巨頭進行競賽拚場，IBM在2017年底已開發出50量子位元的原型機，而英特爾（Intel）也於今年(2018)發表49量子位元晶片，加上Google發表72量子位元晶片，無不卯足力氣朝量子世界邁進。

iKnow觀點及評析
雖然，目前量子離目標達成仍有段距離。然而，隨著技術線性推移，三大巨頭已陸續發表原型機及量子位元晶片，相信不用幾十年的時間，應該很快就能達成。至於，量子處理器可能結合CPU / GPU之議題，應該視未來量子處理器拿來做甚麼用、解決何用途而定，目前很明顯可用於 AI 解決巨量決策演算的問題。(1486字；圖1)

備註：
註1：「量子霸權」(quantum supremacy）的定義，是處理器要達到49量子位元（qubit）、雙量子位錯誤率低於0.5％，屆時運算能力將會超越世界上所有電腦，具有解決傳統電腦所解決不了問題的能力。
資料來源：https://www.bnext.com.tw/article/48403/google-backs-its-bristlecone-chip-to-crack-quantum-computing

註2：在量子力學裡，當幾個粒子在彼此交互作用後，由於各個粒子所擁有的特性已綜合成為整體性質，無法單獨描述各個粒子的性質，只能描述整體系統的性質，則稱這現象為量子纏結或量子糾纏（quantum entanglement）。
資料來源：https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%87%8F%E5%AD%90%E7%BA%8F%E7%B5%90

註3：在量子力學裡，開放量子系統的量子相干性，會因為與外在環境發生量子糾纏而隨著時間逐漸喪失，這效應稱為量子退相干（英語：Quantum decoherence），又稱為量子去相干。
資料來源：https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%87%8F%E5%AD%90%E9%80%80%E7%9B%B8%E5%B9%B2

參考資料：
Google thinks it’s close to “quantum supremacy.” MIT Technology Review, 2018/3/9.
Quantum Computing in the NISQ era and beyond. Quantum Computing for Business, 2018/1/27.
A Preview of Bristlecone, Google’s New Quantum Processor. Google Research Blog, 2018/3/5.

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