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訊號

量子運算

下一代運算技術

量子運算的出現代表著下一場重大的科技變革,將帶動全面性的經濟與社會改變。以下是有關技術預期的簡短入門知識。

下一代運算技術

量子運算 (QC) 是利用量子物理學的下一代運算技術。

經典運算依賴比特這個基本單位,而量子運算則依賴量子位元,或量子位元之間的任何數值,或它們的任何組合。

位元是依據二進位邏輯而存在的,不是 0 就是 1,不是關就是開,而量子位元卻可以同時存在於 0 與 1 的狀態,這種現象稱為「疊位" 」。

"纏結」是賦予 QC 力量的另一個基本現象。當兩個或更多的量子位元糾纏在一起時,它們就像一個單一的系統,就像齒輪箱中嚙合的齒輪一樣,因此一個量子位元的改變會改變與它糾纏在一起的所有其他量子位元。這表示單一操作可同時影響許多量子位元的狀態。

其結果是一種令人驚訝的更強大的新型計算。

到 2030 年,全球可能會有 2,000 到 5,000 台量子電腦。2018 年只有不到一打。

功能以倍數成長的電腦

1 台量子電腦可以解決需要 512 個 GPU 叢集才能解決的問題

QC 有潛力解決比古典運算所能解決的問題複雜得多的問題。

一台 1,000 量子位元的量子電腦(預計將在 2–3 年內問世)將能夠同時處理 10³⁰¹(即 1 後面跟著 301 個零)種不同的所謂「資訊狀態」。

此處的「狀態」是指特定問題的一種可能解決方案。大多數可能的解決方案都會是錯誤的,所以我們能探索的狀態越多,找到最佳解決方案的機會就越大。

兩種架構、兩種時間框架

量子退火爐專門用於最佳化任務。航空公司可能會使用這樣的電腦來準備飛機航線的最佳排程,即在確保滿足所有乘客排程的同時,將燃料使用量降至最低。

它們將在 2–5 年內開始產生商業影響。

 

以閘門為基礎的量子電腦是通用的,這表示它們將能夠計算範圍廣泛的問題。將來製藥公司會用它來模擬新的藥物化合物,探索數百萬種化合物的效果,而不需要合成和測試。

他們將會在 7–10 年內產生商業影響

量子科技

超導量子位元

量子電腦開發的領先技術平台之一。IBM、Google、D- Wave 和其他公司正在運用它。超導系統通常在接近絕對零度的超低溫下運作,以創造適當的量子運算條件。

量子網路

量子網路可透過通訊通道傳輸量子糾纏資訊。它們是 QKD 背後的使能技術之一,可同時改善安全性和增加頻寬。

量子密鑰分發 (QKD)

一種安全通訊方法,可實現涉及量子力學元件的加密協定。它使雙方能夠產生只有雙方知道的共用隨機秘密金鑰,此金鑰可用於加密和解密訊息。它保證不會受到窺探或"man-in- the middle" 攻擊。

量子感測器

利用量子物理原理偵測微重力變化的裝置,其工作原理是在次分子層級操控大自然。量子感測利用量子力學特性,例如量子糾纏、量子干擾和量子態壓縮來超越目前感測器技術的限制,並迴避不確定原理。

量子離子比特

量子離子阱是另一種用於開發量子電腦的技術平台。它包括使用電磁力來限制自由空間中的離子。lonQ 是這種方法的主要倡導者。

退火架構

退火架構是一種較簡單的架構,它是以尋找量子系統中最低能量狀態的想法為基礎。此最低能量狀態對應於最佳化問題的最佳解。

閘道架構

門架構使用量子等效的邏輯門,作為矽基中央處理器的建構塊。鑑於這個事實,基於門控的量子電腦至少在理論上可以計算出與傳統電腦相同的問題集。

光子學

光子系統依賴光脈衝和光偏振來建立其準位元。與大多數其他量子位元技術不同的是,它們具有在室溫下運作的優點,但它們的運作速度往往比超導量子位元慢得多。Xanadu 是追求基於光子的 QC 方法的領先公司。

後量子密碼學 (PQC)

後量子加密法是對抗量子電腦的新公鑰加密方法的統稱。PQC 演算法的選擇過程由美國國家標準與技術研究院 (National Institute of Standards and Technology, NIST) 負責管理。大多數大型機構都跟隨 NIST 的腳步。

雲端量子運算

硬體

通常,需要 QC 的公司不會擁有自己的電腦。基於多項關鍵原因,企業內部量子電腦的構想目前尚未實現:

  • 量子裝置價格昂貴
  • 操作複雜,因此成本高昂
  • 由於量子裝置經常有製造商進行升級,因此個別裝置很快就會過時。

取而代之的是,量子電腦的終端使用者透過雲端服務存取這些電腦。

目前有兩種雲端提供 QC 的方法:

兩種方法的利弊

專屬雲端

在此方法中,供應商透過自己的雲端服務提供對自己 QC 裝置的存取。IBM 是遵循此方法的最重要公司,透過其 IBM Q Network 提供 QC 服務。

優勢

供應商現有的雲端平台與量子平台之間更緊密的整合 減少傳統雲端平台與量子平台之間的網路延遲,這將成為低延遲應用 (如詐騙偵測) 的優勢

弱點

量子運算後端選項選擇有限

更多限制性商業模式的潛力

供應商鎖定的危險

公有雲

在此方法中,領先的雲端服務可提供第三方廠商 QC 裝置的存取權。例如,Amazon Braket 提供 D-Wave、rigetti、Oxford Quantum Circuits、IonQ 和 Xanadu 的存取權限,還有更多的存取權限正在籌備中。Microsoft Azure Quantum 提供對 Quantinuum、IonQ、Quantum Circuits Inc、rigetti、PASQAL、1QBit、Microsoft QIO 和 Toshiba SQBM+ 的存取。

優勢

使用雲端供應商現有的存取和帳務服務,以及類似的共用服務

提供存取量子電腦的簡易階梯,通常採用「隨用隨付」模式

提供對各種量子電腦的存取,可在不同平台間進行比較,並找出適合手邊問題的裝置

弱點

由於網路往返和佇列的關係,存取量子裝置的延遲趨勢較高

反過來,這對於有即時或低延遲需求的應用 (例如詐騙偵測和高頻交易) 造成問題,以致於這些應用可能不實際。

 

 

未來,雲供應商可能會在其資料中心內,將量子裝置與傳統 CPU 和 GPU 硬體一起託管,從而將延遲效應降至最低,並實現新一類的高吞吐量、低延遲量子經典混合應用,例如詐騙偵測和高頻交易。

軟體/API

API 和相關 SDK 傾向於開放原始碼,而且除了少數例外,都是以 Python 程式語言撰寫。

每家領先的 QC 供應商通常都會提供自己的 API,以支援其裝置或服務。

有些廠商(例如 IonQ)決定支援其他廠商的 API,而不是開發自己專屬的 API。例如,IonQ 支援 IBM 和 Cirq 的 Qiskit。舉例來說,這種方法可讓以 Qiskit 寫成、用於 IBM 量子機的量子演算法,更容易移植到 IonQ 裝置上執行。

未來,大型科技/雲端供應商(IBM/亞馬遜/微軟)將會提供或強制提供少量的標準化 API,量子運算硬體廠商將會依據這些 API 進行建置。

應用於金融服務

在爭取 QC 領導地位的同時,金融機構很可能會發現技能與人才的發展和保留將成為關鍵戰場。量子技術應用的領導者將會看到其安全性、營運效率和產品效能大幅成長,而落後者則會看到其業務的這些方面受到侵蝕。

儘管我們預期量子電腦至少在 10-12 年內都不會強大到足以解密現今以 PKI 為基礎的密碼系統,但仍有大量工作要做,以準備好對抗量子威脅。

對其他產業產生催化作用

QC 在其他一系列領域也有潛在的轉型應用。

藥物發現

量子運算將加速分子的識別和模擬,從而改善藥物的發現過程。它將把實驗從濕實驗室移到電腦上,研究人員將有機會獲得傳統計算需要數十年才能設計出來的化學組合。

網路安全

量子電腦確實威脅到現今網路的安全支柱 - RSA 公鑰密碼技術。但量子技術也將使新的甚至更安全的通訊方式成為可能。

物流

QC 將會處理前所未有的大量複雜資料,包括製造能力、地理位置和基礎建設、天氣模式、路由、鐵路和航道能力等,從而改變我們的供應鏈。

汽車

QC 將推動更接近可行的自動車生態系統。量子驅動的人工智能與機器學習將加速必要演算法的學習過程。影像分類和 3D 物件擷取也會從 QC 中獲益。

模擬

QC 將提供現實建模的新能力。我們將能夠更好地預測極端天氣事件、描繪氣候變化、預測城市發展對排放的影響、預測人口成長等等。

隨著 QC 越來越受到重視,我們自然會看到各行各業都出現使用案例。

新興科技

現在 QC 的玩家

各種硬體廠商正在創造他們自己的量子電腦,使用一系列不同的底層物理現象,並部署通用的、基於門的方法和量子退火方法。這些包括

除了硬體廠商(每家廠商通常都會提供自己的軟體程式庫,例如 IBM qiskit、D-Wave Ocean、Google Cirq)之外,也有許多純粹的量子軟體廠商。其中包括

QC 市場成長

2016

$89M

全球量子計算市場

2025

$949M

全球量子計算市場(預測)

30% 2017 年至 2025 年的 CAGR

未來潛力無窮

量子電腦將適用於某些任務。在短期內,量子電腦將擅長解決複雜的數值問題,並與現有的古典電腦並存,以實現量子古典混合系統。混合性是很重要的,因為當經典運算提供乾淨的輸出時,量子電腦則提供概率分布的輸出,產生可能需要使用經典電腦篩選出來的答案集。在更遠的未來,QC 有潛力成為一個轉型。它將在某些領域帶來巨大的進步,讓我們有能力創造革命性的新藥、優化金融市場的運作、保障網路安全、了解複雜的系統,從地球生態到全球供需網路,還有更多。至於它的最大效果,地平線是開放的。社會和經濟層面的重大改變即將發生:就像古典運算一樣,QC 將會全面改變我們的生活方式。但故事仍有待書寫,未來數十年將見證我們最優秀的頭腦如何運用這項強大的新工具。