解決「心散」問題,釋放量子電腦潛能

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quantum computing
在量子電腦領域,除了專注於硬件開發,亦有公司開發糾正量子電腦干擾雜訊的軟件,以提升量子電腦算法成功率。 圖片來源:Q-CTRL 影片截圖

量子電腦為未來世界提供無限想像,人們期望技術成熟以後,能做到精確模擬,通過輸入大量變量,找出達致最佳特定結果的方法。此對於藥物開發(可透過模擬結合不同化學物質尋找有效藥物)、物流(尋找最具效率的物流路線)及金融業(預估大量不同的社會經濟因素及各種限制對金融市場的影響)等而言,其遠超現時二元運作電腦的算力,能提出高機率的可行方案。但要開發成功,除硬件外,還要解決一重要的問題 —— 如何保證量子運作暢順?

有別於傳統電腦以「位元」(0 或 1)形式處理資料,量子電腦的基本運算單元為「量子位元」(qubit)。當量子處於量子疊加(quantum superposition)和量子糾纏(quantum entanglement)的狀態,量子位元能夠同時為 「0 和 1」,而不像傳統電腦位元只能為 「0 或 1」。若極簡地比喻,傳統一個位元僅指涉一件事時,一個量子則同時指涉兩件事(如果喜愛小說,可以想像成兩個平行時空),隨著量子的數目增加,其訊息載量便會遠超傳統電腦,同時相對減少運算的次數,此特性使量子位元的運算能力,可應付上述要輸入極多變量作運算的題目。所謂疊加狀態,即單一量子須同時處於兩種物理狀態;量子糾纏則意味著兩個量子間形成聯結,使得兩個量子即使不在同一個空間,卻可以即時互相影響。量子達到這兩種狀態的情況,被稱為「量子態」,可進行量子運算,而在此狀態的時間稱為「相干時間」(Coherence Time)。

雖然許多大學研究所、科企及初創公司雄心勃勃建造原始的量子電腦,但這些量子電腦的表現仍不甚穩定。加州理工學院的量子電腦研究員 John Preskill,便為這些初始機器起名「NISQs」——「易受干擾、中等規模量子電腦」(Noisy, Intermediate-Scale Quantum computers)。電腦之所以「noisy」,皆因存在「雜訊」(noise),即干擾量子的事物。量子電腦容易受到各種來源的干擾,包括來自 Wi-Fi 的電磁信號、地球磁場,甚至一般熱擾動。當量子電腦中的量子位元曝露在雜訊下,便難以維持穩定的量子態,出現「量子退相干」(Quantum decoherence)的情況,計算便愈容易出現錯誤,可以正確運行的時間就愈短。與傳統電腦相比,量子電腦更易受到雜訊的影響:一個典型微處理器中的電晶體,可以每秒進行 10 億次的操作並運行大約 10 億年,而不會因為任何形式的干擾出現硬件故障;相比之下,量子位元在大約千分之一秒內便會出現異樣。

不論是誰研發的硬件,及採用哪種量子運算方式也好,要量子電腦成功運作,維持穩定的量子態是關鍵一步,否則量子只是一班心散的天才,難成大事。要幫助他們專心工作,「量子糾錯」(Quantum Error Correction)是現時的方案之一,即把多個物理量子位元捆綁在一起,從而降低錯誤率,缺點是需要用上極大量的量子位元,浪費電腦算力。但在近期,研究人員正在開發其他糾正錯誤的技術,包括編譯技術(compiling techniques)和控制量子位元邏輯閘操作的脈衝。Q-CTRL 的 Boulder Opal 程式就是循此方法,降低量子電腦的錯誤率。它讓用戶「輸入」量子參數,利⽤⼈⼯智能⾃動設計最佳的防噪控制⽅案,對性能進行基準測試和模擬,無需量⼦糾錯,讓量子專心出行,確保運作得最好。Q-CTRL 自 2017 年成立,專注解決量子電腦硬件因雜訊和錯誤率而引致的不穩定,獲澳洲最大創業投資基金 Square Peg Capital維港投資等重要創投注資。

Q-CTRL 日前宣佈,他們的 Fire Opal 軟件在量子算法的成功率方面有重大改進。效益大小可能因具體的算法和使用的處理器而有所不同,但 Q-CTRL 報告指,其自主糾錯技術,將量子算法在真實硬件上的成功率提升 1,000 倍以上,遠超去年 11 月報告的 25 倍。Q-CTRL 測量了其軟件⼯具在執⾏硬件時,其能力突破⾏業指標,包括美國量⼦經濟發展聯盟 (QED-C) 所追求的算法基準。團隊更指出,他們可以在這些基準測試的成功中實現高達 9,000 倍的改進,並為客戶算法帶來真正的效用收益,歐洲量子初創公司 BEIT 便是 Q-CTRL 技術的早期用戶。

Q-CTRL 的 Boulder Opal 軟件可在任何量⼦電腦上減少雜訊對量⼦的影響。Q-CTRL 的 Fire Opal 程式更是易於使⽤,用戶只需經 Fire Opal 運作量子電腦,便自動能為⽤⼾的算法提⾼成功率,不需要⽤⼾進行任何額外編程。Q-CTRL 創始人兼行政總裁 Michael Biercuk 表示:「我們的基準測試實驗表明,當今的量子電腦無需更改,皆可經我們的糾錯技術發揮潛能。」