Google的量子電腦比普通電腦快1億倍? 專家表示言之尚早

Photo Credit: Stephen Lam / REUTERS
你為什麼需要這則新聞

Google的研究人員日前發表一篇論文,比較了其量子運算系統D-Wave 2X及普通電腦處理特定問題的速度,發現前者快一億倍之多。但D-Wave 2X跟學界一直研發的量子電腦有別,結果亦不代表該系統比傳統電腦快。

D-Wave系統(D-Wave Systems)號稱是是世界上唯一銷售商用量子電腦的公司,自2007年首次公開示範其「量子運算系統」後,一直爭議不斷。學術界有不少聲音質疑,D-Wave系統提供的到底是否量子電腦——假如屬實,在解決某些問題上其運算能力將遠超目前的電腦,包括破解一些常用的公匙加密法

量子電腦專家普遍認為,D-Wave系統應該發表多幾篇學術論文,而非辦新聞發佈會。但對D-Wave系統的創辦人佐迪·羅斯而言,那一場公開示範卻非常重要,因為吸引了Google的關注。自那時起,Google已非正式跟D-Wave系統合作,研究其處理器的潛力。

2009年,Google一支研究隊伍寫了一個在D-Wave處理器上運行的演算法,讓電腦探測器透過「看」2萬張照片就能學習辨認車輛。在Google的研究博客上,圖像識別技術組負責人Hartmut Neven表示,雖然仍有很多問題尚未解決,但他們觀察到這個探測器的表現,比起他們以其數據中心的電腦運行傳統演算法「訓練」出來的探測器更好。

2011年,全球最大的國防工業承包商Lockheed Martin成為D-Wave系統的首名客戶,雙方簽下多年合約,購入D-Wave One量子運算系統以及維修服務。2013年,Google跟美國太空總署(NASA)及大學太空研究協會(USRA)合作,設立實驗室主攻機器學習等問題,購入D-Wave系統第二代量子運算系統D-Wave Two,今年9月有報導指這個量子運算系統已按合約更新至最新一代的D-Wave 2X。

量子電腦超簡介

現時我們使用的傳統(或稱作「古典」)電腦——不論你是用手機、平板、手提電腦抑或桌面電腦、也不論你使用甚麼作業系統——處理資訊的最基本單位是位元,其英文原名”bit”乃”Binary digit”(二進制數位)的縮寫。

一個位元只能是兩個值的其中一個,在傳統電腦中通常以0及1表示,換言之在電腦中一個位元只能是0或1。電腦上的一切工作,背後就是把資訊編碼成一連串的0和1,以及對這些0和1作出相應運算。

而量子電腦則利用了量子力學中粒子的奇怪特性去進行運算,在解決某些問題上效率遠超傳統電腦。量子力學如何奇怪在此按下不表,粗略來說,量子電腦中的基本單位是「量子位元」(qubit, quantum bit之縮寫),不像傳統的位元只能是0或1,而是可以「同時是0及1」。

接下來先打個比喻,傳統的位元就像只能是紅色或藍色的小球,透過按規則編排這些小球,電腦可以完成各式各樣的工作。而量子位元則像個「同時是紅色及藍色」的小球——慢著,怎可能同時是紅色及藍色?那是因為量子力學涉及微觀的粒子世界,在那兒一切常識皆不適用。

量子位元以粒子表示,而這些粒子處於所謂的「疊加態」(superposition)——這是個量子力學術語——在測量之前我們無法確認其狀態。用我們的比喻,在查看這個量子位元之前,我們無法得知它究竟是紅色抑或藍色——物理學家告訴我們,直到查看之前它同時是紅色及藍色。

驚人的量子電腦

這個奇怪的特性,使量子電腦的運算能力理論上遠遠超過傳統電腦。假如傳統電腦要檢查0至1000之間所有數字某些特性,最直接的方法就是逐個來︰先檢查0、再檢查1、再檢查2……最後檢查1000。換着是量子電腦,如果有10個量子位元的話(以2進制表示1000需要10個位元)只需要同時檢查這10個位元,就能把0到1023(10個位元可以表達到的最大數字)之間所有數字同時檢查。

自數學家Peter Shor在1994年設計出Shor演算法,證明量子電腦分解質因數——一項耗時甚長的工作——能夠比傳統電腦快得多後,人們才意識到量子電腦有實際用途,例如破解密碼,並加速研發。

聽起來很吸引,然而目前物理學家製作出來的量子電腦,分解到的最大數字只有56153。原因在於,量子電腦須依賴量子力學另一奇怪特性——量子纏繞 (quantum entanglement)——才能「操控」量子位元運作。而要確保要量子電腦順利運行,就得盡量避免外界干擾,以免影響量子纏繞,但暫時物理學家仍未能操控太多量子位元。

量子運算的另一條路?

2003年,羅斯認為這種量子電腦的標準模型「是個很差的主意」,因此轉向「絕熱量子運算」(Adiabatic quantum computation),一種適合用來解決最優化問題——在特定條件限制下找出最佳結果的問題——的技巧。

目前的D-Wave量子運算系統,就是專門設計用來運行量子退火算法(quantum annealing,又是一種解決最優化問題的技巧),跟上面提到的量子電腦有根本分別,例如無法運行Shor演算法。起初不少人懷疑D-Wave運算系統是否真正用上了量子效應,質疑該公司為何不提供證據,其運作原理亦成謎。

Photo Credit: D-Wave Systems, Inc., CC BY 3.0

2011年,D-Wave系統在科學期刊《自然》刊登了一篇論文,說明D-Wave的晶片擁有某些量子特性,使一直懷疑D-Wave的麻省理工學院教授、電腦專家Scott Aaronson宣佈,從「首席D-Wave懷疑者」的位置上退下來。而在20132014年均有證據顯示,D-Wave運算系統在運作時確實出現一些量子效應。

然而Aaronson仍懷疑D-Wave的運算能力會否遠超於傳統電腦,這並非毫無根據。早前一些研究發現,D-Wave運算系統未有顯示出所謂「量子加速」——如量子電腦般速度遠超傳統電腦——的情況,甚至不比一部普通手提電腦快。

比普通電腦快1億倍?

Google的研究團隊日前就發表了一篇論文,比較了他們最新的D-Wave 2X量子運算系統以及一部單核心電腦,在若干涉及量子退火算法的問題上表現如何。研究人員以D-Wave 2X運行量子退火算法,跟傳統電腦運行模擬退火(simulated annealing, SA)及量子蒙地卡羅(quantum Monte Carlo, QMC)算法比較,處理的問題涉及1000個變量。

結果發現,D-Wave在運行速度上比普通電腦運行模擬退火法及量子蒙地卡羅法最高分別快上1億及1000萬倍。但研究人員也提到,對於測試所用的特定問題,有其他更好的演算法能在普通電腦上表現超越D-Wave 2X。他們之所以用上模擬退火,是因為這演算法在最優化問題中常用,而且可以跟量子退火作類比。

Aaronson以及3名物理學家均表示,結果不能簡單理解成「量子電腦比普通電腦快1億倍」。除了因為傳統電腦可以使用更佳的演算法外,也因為D-Wave 2X使用量子退火的表現,未有顯示出所謂的「量子加速」。

不僅要快

理論上,問題所需要處理的變數越多,量子電腦的優勢便越明顯。這是因為每處理多一個量子位元,量子電腦處理的資訊量便翻倍︰10個量子位元可以同時處理過千個數字;20個量子位元就能同時處理過百萬個數字了。但對傳統電腦而言,所需的運算時間會或會以指數上升。因此量子電腦最令人期待的地方在於,能夠以極高速度處理一些傳統電腦可能要花上千年計算的問題。

而Google的圖表顯示,隨著問題所涉及的位元增加,D-Wave 2X的運算時間增長模式跟量子蒙地卡羅法類似︰雖然D-Wave 2X要比量子蒙地卡羅法快1000萬倍,但兩者運算時間增長率類似。Google的文章也表示,根據目前的結果仍不能聲稱「量子加速」存在。然而他們對D-Wave的未來感到樂觀,認為隨著下一代的量子退火器發展,在問題難度增加後現有的最佳算法將不再有效率。

簡言之,量子電腦仍然在起步階段,而D-Wave的量子運算系統則未能展示出其運算能力高於普通電腦——遑論超級電腦,也未有顯示任何「量子加速」的跡象。要說Google證明了他們的量子電腦比傳統電腦快1億倍,更是言之過早。

或許你會想看
更多『新聞』文章 更多『新聞』文章 更多『Kayue』文章
Loader

此篇文章含有成人內容,請確認您是否已滿 18 歲。

  • 我已滿 18 歲
  • 我未滿 18 歲