【创科广场】量子电脑实用年代 物料发现创造价值

2020-07-17 08:31
        量子电脑可以解决传统电脑上亿年才能计算的难题,量子电脑只需花数分钟便能迎刃而解。近期多家公司开始利用量子电脑在实际用途,聚合物生产商科思创(Covestro)宣布推动量子运算研究,Honeywell声称建立了全球最强大的量子电脑。

年,10月Google声称其Sycamore量子电脑达到「量子优越」(Quantum supremacy)定义,即以量子电脑解决传统电脑不能胜任的难题;不过随即被IBM所质疑。

  量子电脑的「量子比特」(Qubit)拥有无量多的状态,较传统计算机只有两个状态,可同时处理更多数据,而Sycamore就具有53个量子比特之多。不过有关制备、操作、读取及纠错量子比特,仍有不少挑战。

  迄今,量子计算只能针对特定问题,传统电脑应付一般性问题,两者不会互相取代。以往多次实验,均专门度身订造,量子运算仍以试验为主。首个成功「量子优越」的Sycamore,任务检验随机量子綫路的输出分布是否符合预期;实际的作用不高;但同样任务,传统电脑运算需花一万年。

  量子运算亦可以快速解破传统加密算法,类似RSA就是针对因数难于分解加密;RSA体系加密,就是基于因数分解的困难以加密数据,分解一个n位数,随着n指数增长,以一秒能计算一万亿次为电脑基准,分解一个300位数字约15万年,分解5000位的数字约为50亿年,原理是公开的数字,须分解成质数,成功就可破解密码。

  量子计算机分解因数,却不是难题,美国科学家Peter Shor发明了一种量子算法的理论,300位数字分解时间不需要一秒钟,5000位的数字则只要2分钟。不过Shor算法只是理论,必须具备量子运算。2007年,中国科技大学潘建伟教授,已进一步证明Shor算法可行性;并开发量子加密法。近期中国上市的国盾量子,亦是基于潘建伟开发的技术。

量子运算牛刀小试

  即使量子运算成果,没太大实用的价值,Sycamore的速度确是突破。量子计算的实用性,在于有优势的特定题目;例如是分解因数,或者模拟化学或者物质的量子结构,潜力巨大。

1981年,诺贝尔奖物理得主费曼(Richard Feynman),曾预测量子电脑可完全模拟分子或物质。费曼的预测早已成真;2016年,Google模拟了氢氢分子的基态(Ground state)能量,这展示了模拟简单的量子系统,量子计算可做到和传统计算机一样好。

  IBM在量子比特位系统中模拟出氢化铍(BeH2)分子,是至今量子系统模拟的最大和最复杂的分子。量子运算可助发现新材料,研发材料最大挑战是分子建模,如何计算化合物的基本能态,类比出每个原子之间,电子与其他原子的相互作用,这种相互作用遵循量子力学原理。传统电脑一旦类比分子结构,消耗大量运算能力,分子原子数量增加,模拟难度以几何级增长,量子电脑对此类运算也有先天优势。

  全球最大聚合物生产商科思创(Covestro)宣布,与Google签定了研究合作协议,开发基本算法,以便利用量子电脑。利用量子电脑,就可以数码模拟复杂的化学反应过程,快速评估物料的性质。

  Google的AI量子集团主管Hartmut Neven说,Google正开发量子处理器及创新的量子算法以助研究人员解决难题。我们期望与Covestro科学家团队合作。Covestro也扩充位于Leverkusen的高性能运算数据中心,以电脑模拟继续开发新物料。

  另外,提供家居及建筑智能控制方案的Honeywell,也声称建立成全球最强的量子电脑,以量子体积计为64,计算方法包括了量子比特的数量、错误率、量子比特停止前的运作时间,以及数个关键因素。Honeywell量子系统(HQS)发表论文,详细介绍QCCD(量子电荷耦合元件)囚禁离子量子处理器的体系结构。

物料发现

  不过Honeywell的量子电脑,实际上只有6个量子比特,较Google的Sycamore的53少得多。

  HQS总裁Tony Uttley表示,最终量子电脑可以处理大量数据,目前关注解决三项问题,包括了优化业务、机器学习、化学及物料学。不过Honeywell量子电脑只有6个量子比特,性能相等于手提电脑。Honeywell量子电脑也不能达致「量子优越」,解决传统电脑无法应付的难题。事实上,任何少于50量子比特的量子电脑,性能都不会超越传统电脑。

  Honeywell积极投资量子电脑,早前属下创投Honeywell Ventures就投资剑桥量子运算,以加强两家公司合作。CQC也是成为Honeywell量子电脑的首个测试版用户。Honeywell Ventures董事总经理兼总监Murray Grainger表示:「Honeywell Ventures致力于为量子生态系统的发展提供投资。Honeywell Ventures认为量子电脑对于不同垂直行业具有策略性意义。」

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