量子電腦，下一場電腦革命

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週二 2014-09-23 hevangel

說起溫哥華，香港人認為是個風景優美，氣候怡人的理想退休城市，就算沒有親身去過，身邊總會認識親戚朋友舊同學，移民過去那兒安居樂業。可是又有多少人知道，溫哥華很可能是下一波電腦革命的發源地。總部位於溫哥華的D-Wave System，是全世界唯一研發商用量子電腦的公司，九九年開業至今，只賣出了兩台量子電腦。換了是其他start-up，生意這樣少，一早就執笠（倒闭）了。不過此公司的投資者非比尋常，包括CIA和阿瑪遜的創辨人Jeff Bezos，他們十分有耐性，因為量子電腦若果研發成功，將會顛覆整個電腦行業。早兩年Google買了一台量子電腦試用後，近日更高調宣佈自行開發量子電腦，足以證明量子電腦的前景無限。

量子電腦是什麼？聽起來像是科幻小說中才出現的的玩意。當電路的體積越來越細，細到只有納米的大小，在極低溫低的狀態，便會出現量子現像。我們在中學教科書中學過的傳統物理學，連愛因斯坦的物理學，都統統不再適用，踏進量子物理學的領域。量子物理學我也不太懂，不過量子電腦的運作原理，倒也不難明白。傳統電腦的運算單位是零與一，每一個運算位元（bit）只能計算一個數值。量子電腦則利用superposition的原理，量子運算位元（qubit）是零與一外，還可以同時間包括零和一，只有在最後觀測結果時，才會隨機地變成零或一的結果。打個比喻，擲銀幣有公字，公是零，字是一，那superposition可以說成個銀幣在拋起在空中不停打轉的狀態，那個銀幣在跌落地那刻，我們才知道是公或是字。另外量子腦還利用entanglement的原理，讓兩個不同的量子位元連結在一起，在觀測其中一個位元的結果時，另一個位元也會呈現相同的結果。繼續用擲銀幣打比喻，若果半空有兩個銀幣entangle了，其中一個落地開公，另一個銀幣必定也會開公，結果只能是兩個公或兩個字，不可能一個公一個字。擲銀幣公字的機會永遠是各一半，但量子計算的原理，便是利用量子邏輯運算，改變在半空中銀幣會開公或開字的機會率。量子算式便是結合superposition和entaglement的原理，讓量子電腦同時間作大量平衡運算，並把你想要的答案，在觀測結果的時侯，有最高開出的機會率。

目前量子算式主要用來計算傳統電腦一些稱之為P=NP的難題，這類難題的特點，是要找出正確的答案很困難，要動用天文數字的電腦運算能力，但覆核答案是否正確相對地容易。其一個難題便是尋找超大數目的質數因數，要從把兩個超大質數相乘的結果，反轉頭找出原本那個兩個質數，而這個算式基本上是現今所有加密系統的罩門。加密系統的原理就是假定駭客沒有足夠的電腦能力去作暴力破解（brute force attack），在有生之年把所有密碼的可能性撞出來，而量子電腦的平行運算能力，便正正是同時間去撞所有密碼。另一個量子電腦擅長解決的難題，是統稱為旅行的營銷員問題(traveling salesman)，用一個比較現實的例子來說明。假你打算去環遊世界，決定遊覽每一個國家的首都，但世上有幾百間航空公司，有數以萬計來往各地首都的航班，機票有平有貴，行程安排可有天文數字的組合，那你如何找出最最最便宜的機票組合呢？當然沒有人會真的這樣環遊世界，但類似的最佳化問題（optimization problem）天天都有，從物流公司安排貨物的運送，到藥廠開發新藥物，天文台預測天氣，人工智能，甚至金融機構的電腦操盤，都能應用最佳化的量子算式，大大提高運算速度和準確性。

說回D-Wave System，當各大學的頂尖量子研究，還只是在弄十幾量子位元的運算，他們的量子電腦便已一口氣五百量子位元，下一代的量子電腦更去到一千量子位元。要知道量子電腦的平衡運算能力，是二乘以量子位元的倍數（2^N)，多一量子位元運算能力翻兩倍，多兩量子位元運算能力翻四倍，多三量子位元運算能力翻八倍，是幾何級數的暴升。那D-Wave有什麼秘密武器，讓他們遙遙領先一眾量子研究呢。說穿了可能是世紀大騙局，儘管所有媒體報導都說他們賣量子電腦，事實上他們自己也不知道自己賣的算不算是量子電腦。大學研究著重學術理論，建造量子電腦前，要先弄清楚其中涉及的量子物理學理論。D-Wave則走工程師的捷徑，在完全弄清量子理論之前，單憑一個非常有可能成功的假設，先把量子電腦造出來再說，造了出來才慢慢研究其中的原理。而D-Wave的開發的並不是汎用型量子電腦，而是一種稱之為quantum annealing machine，只能計算最佳化問題的特殊量子電腦。D-Waves的量子電腦最初面世時，因為它們是量子研究界的異端，引來不少學者的質疑，認為他們不可能造出量子電腦。自從Lockheed Martin和Google購入量子電腦，開放給不同科學家作獨立研究檢測，質疑聲音逐漸轉變為肯定和支持，看來D-Wave在那場量子技術的豪賭中押對了注，量子電腦實用化向前邁進一大步。

自Shockley發明半導體至今六十年，三十年前個人電腦才剛剛起步，現在我們每人口袋中都有一台超級電腦。量子電腦理論發明於八十年代初，現今已經過了三十年，三十年後我們會否人手一台量子電腦呢。在外國不少大學，已經開設量子物理和量子電腦的專門學科，準備迎接即將來臨的量子革命，不知道香港的大學，又做好迎接量子時代的準備了未？

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纸上谈兵，没用把

smallrat85

量子通讯在中国也基本成型了

-风花雪月-

啥时为市场量产再说