鴻海量子計算研究所張慶瑞：十年後將出現「量子優勢」
MoneyDJ新聞 2020-10-19 13:46:03 記者 張以忠 報導 我們上次聽到量子電腦是什麼時候？可能是在科普新知，又或是在一些科幻電影的內容中，但其實量子電腦可能實際應用在我們生活周遭的時程並不遠，量子電腦可以處理當前運算速度最快的傳統電腦所無法觸及的問題，在5G甚至6G所涉及的大量數據以及分配問題上，量子電腦都可以有效解決，目前各主要國家、大型企業都投入資源，積極卡位量子電腦產業化趨勢，外界預期未來十年量子電腦將出現「量子優勢」，在許多課題處理上將超越古典電腦。
MoneyDJ專訪目前任職臺灣大學IBM量子電腦中心主任、同時也是鴻海研究院量子計算研究所諮詢委員張慶瑞，以下是訪談內容。
量子電腦是什麼？與傳統電腦有何差異？
張慶瑞：古典電腦的基本位元不是1就是0，它把世界上所有事物轉化成1跟0，再用各種計算能力做加減乘除，古典電腦就是一部運算快速的機器，不斷處理開跟關，處理這樣的動作比人類要快很多，全世界最快的電腦，現在是富士通的富岳，一秒鐘可以開關10的18次方，這就是古典電腦，因為開關速度很快，你就覺得可以處理很多事情。
至於量子電腦以及量子位元（qubit），就不是1也不是0，它像是旋轉的銅板，同時表達1跟0的各種可能，假如是兩個量子位元在一起的時候，就會像你泥中有我、我泥中有你的狀態，這是跟古典電腦最大不同之處。
古典電腦當中的1跟0是兩個古典位元，也就是兩個不同的個體，而兩個量子位元在一起的時候，就好像形成了一個家庭，彼此都非常融洽，然後都會影響到對方，從而就不是兩個獨立的個體，若是有很多個量子位元在一起就會形成一個社群，這裡面的位元意識相通、彼此有共通的能力，因此在這樣的狀態下所能處理的問題，會比每一個、每一個分別作處理的古典位元要強大很多，這是古典與量子電腦真正在結構上最大差別。
以一個裝滿水的瓶子做比喻，古典電腦若要推動瓶子，它的做法是，先估算瓶子裡面有多少水、再計算要用多少力量推動瓶子，這樣的計算過程通通轉化為1、0去處理；量子電腦則不是這樣的邏輯，而是直接準備一個作用的量推動瓶子，大瓶子就準備大瓶子的作用狀態、小瓶子就準備小瓶子的作用狀態，「作用上去答案就出來」，這樣的作用方式，跟人類社會平常在做的事情一樣，我們人類要推動瓶子不會先去做計算。
量子電腦是用了一種高維度數學空間的概念來解決所有問題，Hilbert Space(希爾伯特空間)是量子電腦未來能徹底擊敗古典電腦的主因。
量子電腦可以處理哪些問題？
張慶瑞：量子電腦可以處理大數據的分配與組合問題，將複雜問題進行最佳化解決，舉例來說，5G/6G的基地台如何設置與分配？兩個人在通話的時候，怎麼樣找出通過基地台連接的路徑，這東西看起來簡單，若是數據很大，譬如一方的基地台有100萬個行動電話在走，另一方有1000萬個，組合方式會很多，會是100萬的1000萬次方，剛剛提到全世界最快的古典電腦運算速度是每秒10的18次方，若以這個例子來說，100萬的1000萬次方再扣掉18個零，等於沒扣、古典電腦算不完，但量子電腦做得到，因為量子電腦就是準備一個狀態而已。
此外，在財務投資組合(portfolio investment)方面也可以做立即化處理，可以達到最佳化的投資分析；包括大城市裡面的交通管理，若有100條街、1000輛車在上面跑，透過量子電腦就能馬上處理每一輛車的最佳行駛路徑。
有哪些國家或企業在發展量子電腦？
張慶瑞：美國已經開始推動量子教育，將它加入K-12教育中，類似以前奈米教育導入K-12中，這是要讓量子觀念從知識變成常識，從小就認識量子，長大就不會害怕它，美國會從圖畫書開始逐步導入教育體系。
目前投入的國家可以說只要是重要國家與企業都在強力投入，重要性是人類史上在二戰曼哈頓計畫之後最重要的競爭式科研。量子電腦就像是矛，量子通信就像是盾，這是現代化戰爭裡最重要的研發。幾乎可以說這是場用實驗室內的科學家取代戰士，用腦力取代槍砲的現代戰爭。
量子電腦是一個泛稱，這個領域可以分為三大類，一個叫quantum inspired machine(量子想法激發出來的機器)；另一個叫Quantum annealing machine(量子退火機器；還有一個是universal quantum computer(通用型量子機器)。
通用型量子機器主要是在解決古典電腦現在想要解決的問題，在這個領域上，世界上重要的大企業都在發展，包括Microsoft、Intel、IBM、中國的本源量子，日本富士通等企業都在發展，也有以國家力量在發展，像是英國、芬蘭、荷蘭也都有衍伸出量子電腦公司，例如荷蘭的QuTech，它跟Intel、Microsoft、富士通合作，也自己做量子電腦，這樣的合縱連橫的合作方式是未來的趨勢，因為它的技術複雜度跟資源投入量，目前看起來都不是單一公司、單一國家可以負擔得起。
以IBM來說，目前IBM量子電腦有65個量子位元（qubit），但這65個量子單位能解決的問題之能量太小，它像剛出身的小嬰兒，還比不上古典電腦計算的能量，不過IBM認為2023年以後，將會發展到100萬個量子位元，那時候很多事情就不一樣了，就能處理很多現在包括古典電腦所處理不了的問題。
量子電腦目前發展的困境？
張慶瑞：量子電腦的製造難度在於，要讓所有量子糾纏在一起很難，但是經驗法則慢慢進步當中，成長速度會超過摩爾定律，若這樣的成長趨勢是對的，那外界估計2030年前後可能會出現「量子優勢」，所謂量子優勢就是在很多課題上你會發現他就是比古典電腦要快。
台灣產業以硬體最在行，台灣有那些優勢可以進入量子產業？
張慶瑞：量子電腦最重要的硬體就是量子位元，這個是關鍵技術，目前科技部有在推動，可是人力、物力有待加強；第二個是台灣有機會、也應該要做的，也就是控制系統，它是訊號的讀取、以及輸出輸入；第三個是可以做系統整合。
製造量子位元有很多種技術，有一種是用矽的量子點、把它做小，然後這裡面就會出現量子行為；IBM則是用超導體來製造。目前製造量子位元競爭非常激烈，全世界主要在搶的就是這些關鍵技術，台灣可以先以週邊設備切入，台灣不可能甚麼都做。
台灣由於過去在半導體非常成功因此確實有很大的空間與機會，因為量子電腦的出現仍然需要許多周邊設備，與古典電腦的配合。這個就是最佳立足點與機會，但是目前普遍欠缺對量子電腦的足夠認知，這也是我過去兩年一直在強力推動的，提升社會對量子的電腦的認知。只有適當認知後才會了解重要與投入。最害怕的是只相信矽產業一定會繼續發光發亮，將所有雞蛋投入同一籃內，伊卡洛斯(Icarus)悖論常常在歷史上輪迴，希望不會發生。
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