星島日報

【創科廣場】量子電腦實用年代 物料發現創造價值

2020-07-17 08:31
        量子電腦可以解決傳統電腦上億年才能計算的難題,量子電腦只需花數分鐘便能迎刃而解。近期多家公司開始利用量子電腦在實際用途,聚合物生產商科思創(Covestro)宣布推動量子運算研究,Honeywell聲稱建立了全球最強大的量子電腦。

年,10月Google聲稱其Sycamore量子電腦達到「量子優越」(Quantum supremacy)定義,即以量子電腦解決傳統電腦不能勝任的難題;不過隨即被IBM所質疑。

  量子電腦的「量子比特」(Qubit)擁有無量多的狀態,較傳統計算機只有兩個狀態,可同時處理更多數據,而Sycamore就具有53個量子比特之多。不過有關製備、操作、讀取及糾錯量子比特,仍有不少挑戰。

  迄今,量子計算只能針對特定問題,傳統電腦應付一般性問題,兩者不會互相取代。以往多次實驗,均專門度身訂造,量子運算仍以試驗為主。首個成功「量子優越」的Sycamore,任務檢驗隨機量子綫路的輸出分布是否符合預期;實際的作用不高;但同樣任務,傳統電腦運算需花一萬年。

  量子運算亦可以快速解破傳統加密算法,類似RSA就是針對因數難於分解加密;RSA體系加密,就是基於因數分解的困難以加密數據,分解一個n位數,隨着n指數增長,以一秒能計算一萬億次為電腦基準,分解一個300位數字約15萬年,分解5000位的數字約為50億年,原理是公開的數字,須分解成質數,成功就可破解密碼。

  量子計算機分解因數,卻不是難題,美國科學家Peter Shor發明了一種量子算法的理論,300位數字分解時間不需要一秒鐘,5000位的數字則只要2分鐘。不過Shor算法只是理論,必須具備量子運算。2007年,中國科技大學潘建偉教授,已進一步證明Shor算法可行性;並開發量子加密法。近期中國上市的國盾量子,亦是基於潘建偉開發的技術。

量子運算牛刀小試

  即使量子運算成果,沒太大實用的價值,Sycamore的速度確是突破。量子計算的實用性,在於有優勢的特定題目;例如是分解因數,或者模擬化學或者物質的量子結構,潛力巨大。

1981年,諾貝爾獎物理得主費曼(Richard Feynman),曾預測量子電腦可完全模擬分子或物質。費曼的預測早已成真;2016年,Google模擬了氫氫分子的基態(Ground state)能量,這展示了模擬簡單的量子系統,量子計算可做到和傳統計算機一樣好。

  IBM在量子比特位系統中模擬出氫化鈹(BeH2)分子,是至今量子系統模擬的最大和最複雜的分子。量子運算可助發現新材料,研發材料最大挑戰是分子建模,如何計算化合物的基本能態,類比出每個原子之間,電子與其他原子的相互作用,這種相互作用遵循量子力學原理。傳統電腦一旦類比分子結構,消耗大量運算能力,分子原子數量增加,模擬難度以幾何級增長,量子電腦對此類運算也有先天優勢。

  全球最大聚合物生產商科思創(Covestro)宣布,與Google簽定了研究合作協議,開發基本算法,以便利用量子電腦。利用量子電腦,就可以數碼模擬複雜的化學反應過程,快速評估物料的性質。

  Google的AI量子集團主管Hartmut Neven說,Google正開發量子處理器及創新的量子算法以助研究人員解決難題。我們期望與Covestro科學家團隊合作。Covestro也擴充位於Leverkusen的高性能運算數據中心,以電腦模擬繼續開發新物料。

  另外,提供家居及建築智能控制方案的Honeywell,也聲稱建立成全球最強的量子電腦,以量子體積計為64,計算方法包括了量子比特的數量、錯誤率、量子比特停止前的運作時間,以及數個關鍵因素。Honeywell量子系統(HQS)發表論文,詳細介紹QCCD(量子電荷耦合元件)囚禁離子量子處理器的體系結構。

物料發現

  不過Honeywell的量子電腦,實際上只有6個量子比特,較Google的Sycamore的53少得多。

  HQS總裁Tony Uttley表示,最終量子電腦可以處理大量數據,目前關注解決三項問題,包括了優化業務、機器學習、化學及物料學。不過Honeywell量子電腦只有6個量子比特,性能相等於手提電腦。Honeywell量子電腦也不能達致「量子優越」,解決傳統電腦無法應付的難題。事實上,任何少於50量子比特的量子電腦,性能都不會超越傳統電腦。

  Honeywell積極投資量子電腦,早前屬下創投Honeywell Ventures就投資劍橋量子運算,以加強兩家公司合作。CQC也是成為Honeywell量子電腦的首個測試版用戶。Honeywell Ventures董事總經理兼總監Murray Grainger表示:「Honeywell Ventures致力於為量子生態系統的發展提供投資。Honeywell Ventures認為量子電腦對於不同垂直行業具有策略性意義。」

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