「量子霸權」為什麼是電腦科學界的重要里程碑？

[Webii]

「量子霸權」為什麼是電腦科學界的重要里程碑？
2019/10/01 , 評論 FORTUNE
文：Jeremy Kahn
譯：曾勢喨

Google的研究員聲稱他們已經達到了電腦科學界的重要里程碑，也就是「量子霸權」（quantum supremacy）。

Google研究員在一份研究報告中解釋了這樣科技突破，這份報告在本周（原文刊於9月20日）被上傳到美國航空暨太空總署（National Aeronautics and Space Administration, NASA）網站的一小段時間後就被撤下，但《財星》雜誌已取得了這份報告。

NASA與Google已經在量子電腦的領域合作了一段時間，這份報告存在在周五首先被《金融時報》所揭露。

Google拒絕對這份報告發表評論，但如果Google確實已經達到了這樣的里程碑，這會讓我們朝使用量子電腦的那天更靠近了一步。量子電腦使用量子物理的特定來進行演算，其強大的運算能力，能夠運算現今大部分超級電腦都無法運算的複雜問題。

量子電腦最被期待的功能之一就是創造新的化學物質，以製造製作氮基肥料所需的催化劑或是製造高功率電池裡面的零件，量子電腦也能被用來破解數位加密。有一天，量子電腦或許也能被用來精簡組織流程與物流服務，甚至加速機器學習進入實際應用。

但是所謂「量子霸權」，並不代表量子電腦會很快取代及普及於我們生活的傳統電腦。

什麼是量子霸權？
量子霸權指的是研究者已經可以運用量子電腦來進行一個運算任務，而這個任務是任何傳統電腦（就算是最大的超級電腦），也沒辦法在合理的時間內運算出來的。


在Google的案例中，他們的任務是確認一組演算法的產出，是否能生成真正的亂數。

根據這份報告，研究者已可以用量子電腦在3分20秒內，計算出這個極度複雜的數學運算。另一方面，高峰3（Summit 3，一台IBM製造、目前全世界運算能力最強的商用傳統電腦）則需要花1萬年才能得出這個運算結果。

量子電腦如何運作？
量子電腦利用量子力學的特性來運作，傳統電腦使用二進位制（位元）來處理資訊，亦即資訊是用0與1的方式來呈現，但量子電腦使用量子位元（quantum bits）的方式來處理資訊，這樣的量子位元能同時表達0和1。

更有甚者，傳統電腦的位元都獨立於彼此之間運作，但量子電腦的一個量子位元的狀態，會影響到系統中其他的量子位元，所以能夠協同運作來進行運算。

這兩種特性，讓量子電腦擁有遠比傳統電腦更多的潛力。

如果使用傳統電腦來進行運算，每次運算出來的答案都會是一樣的，但如果使用量子電腦，則運算的答案會有機率性，也就是說每次不一定會有一樣的答案。所以在使用量子電腦進行運算時，你需要運算同個問題上千甚至上百萬次，而這些解答若都圍繞著某個數字，則這個答案就應該是對的。

在Google的研究中，他們使用的新的量子處理器「懸鈴樹」（Sycamore），此處理器擁有54個量子位元（雖然有一個無法正常運作，所以實際研究上只有使用53個），在研究中處理了真正隨機亂數的問題超過100萬次。

懸鈴樹有什麼特別？
懸鈴樹不是世界上最大的量子處理器，Google去（2018）年就製造了一個擁有72個量子位元的處理器，而里各帝（Rigetti），一個加州量子電腦的新創公司，更說他們即將準備好要上線一個擁有128個量子位元的處理器。但Google的研究員指出，他們在一個量子位元的可活動時間（維持量子狀態）與每個量子位元的互動能力上，有長足的進步。

這樣的進步是很重要的，因為當量子位元不再維持在量子狀態後，它們會在量子電腦的計算中帶入錯誤，而這些錯誤必須用額外的量子位元來計算與排除，這種錯誤率就是為什麼你的傳統電腦能在大多數數學計算的正確率上，打敗現有的量子電腦的原因。

量子霸權會讓量子電腦比傳統電腦還優秀嗎？
不會，Google的成就只是意味著量子電腦能在這一個複雜的計算中，打敗現有最強的傳統電腦。

Google的研究者在這篇報告中指出，他們的量子電腦或許還能應用在優化、機械學習和材料科學、化學等領域。

Google新的量子電腦的硬體雖能達成量子霸權，但它能在其他領域的應用上加快多少運算速度，仍是一個未解的問題。

而且根據這份報告，Google的量子電腦的運算能力，也還不足以應對其它困難的數學問題，如破解現有的加密系統，因這需要製造非常大質數的能力。

事實上，對於大多數的商業應用來說，今日的量子電腦的運算能力與準確率，甚至還不能與傳統的筆記型電腦相比。

駭客是否可以透過量子電腦來偷走我的比特幣？
目前，比特幣與其他加密貨幣所使用的公、私鑰加密技術（public-private key encryption）是無法用量子電腦破解的，但Google的報告中預測，量子電腦將會持續以「雙倍指數」的速度來進步，所以比特幣或許很快就會不再安全了。

害怕量子電腦將會突破一般使用的加密貨幣技術，美國國家安全局呼籲各方應該採取更多元加密方式，來避免日後來自量子電腦的可能攻擊。雖然美國還沒決定建議要採取哪種演算法，許多新創公司已開始使用「後量子時代」的加密方式來幫助金融企業和政府來保護他們的系統。

我什麼時候才能在桌上擁有一台量子電腦？
不會是最近。

雖然幾乎所有可以達到量子狀態的物質都可以用來做量子位元，但目前最先進的量子系統傾向於使用超導物質，而這通常也要使用一些相當稀有的進口原料。Google懸鈴樹的處理器就使用鋁圈結合銦（indium），這是一種與銀差不多稀有的元素。

要讓這些物質達到量子狀態，並避免量子位元被外在的能量來源所干擾，量子處理器必須要小心的放在大型的稀釋冷凍機之中，使其溫度比深太空中（deep space）還要低。

在商業量子電腦的競賽中除了Google和Rigetti之外，還包括了IBM、微軟以及Intel、D-Wave和其他公司，他們計畫要讓顧客透過雲端來執行量子電腦運算，所以相當有可能的是，你永遠不會在桌上有一部自己的量子電腦。

責任編輯：朱家儀
核稿編輯：翁世航

原文出處 :
https://www.thenewslens.com/feature/timefortune/125121

[Webii]

谷歌或實現「量子霸權」 將可破最強密碼?
Chriss Street報道高杉編譯
2019年10月08日

就在科技界開始意識到谷歌所取得的「量子優勢」(Quantum Supremacy; 也被稱為「量子霸權」)計算機將會威脅到所有的金融和軍事網絡安全的同時，虛擬加密貨幣——比特幣也因此單日暴跌了15%。評論稱，谷歌實現的「量子霸權」，即將可以破解銀行和國防等最隱祕領域的所有加密密碼。

Chriss Street報道高杉編譯
據Tradingview公司在9月24日公佈的數據，在世界上加密貨幣交易量最大的交易所之一的Binance交易所，比特幣當天在不到一小時的交易中從9,352.89美元跌至約7,800 美元，最後收於8,568美元。在暴跌前有技術報告被公佈稱，谷歌的「量子優勢」計算機不久將能夠破解256位加密。而在目前，這種加密方式對於傳統的超級計算機的蠻力破解攻擊可謂是「固若金湯」。

谷歌開發「超級智能系統」

谷歌在過去十年中一直在積極開發「超級智能系統」，推進人工智能(AI)、量子計算和人形機器人等技術及集成。許多觀察人士將這一領域稱為「天網」(Skynet)，它出自1984年的電影《終結者》(The Terminator)。

美國太空總署(NASA)近日發表了一篇科學論文，透露稱谷歌憑藉一台53量子位元(53-Qubit) 的量子電腦(Quantum Computer)成功獲得了「量子霸權」。一個通常需要一台新的超級計算機花費10,000年的時間進行計算的任務，這個量子電腦只需要200秒就能完成。

據報導，除了谷歌之外，Microsoft、Intel、IBM等科技巨頭也在投入量子運算的研究，IBM日前也宣佈推出53 量子位元的量子電腦，但其量子電腦的硬體仍有瓶頸，體積龐大，環境要求苛刻，需要逼近絕對零度的環境，甚至震動等等都會影響量子電腦的運算準確度。

儘管一台53量子位元的量子計算機可以在幾秒鐘內破解任何53位的密碼，而比特幣交易目前是受256位加密的保護，但據《財富》雜誌報道，谷歌量子計算機的量子位元數量將至少以每兩年翻一番的速度發展，到2020年達到100個量子位元，然後在2022 年將以超過400個量子位元的計算破解速度擊潰所有的加密貨幣。

美國防部 正在考慮應對措施
美國國防信息系統局(Defense Information Systems Agency - DISA) 在3月份透露，量子計算機最終將把它們的量子位元擴展到512、1024和2048位元的範圍，並將導致目前美國軍方的最高級別的加密被淘汰。DISA正依靠美國國防部的「其它應對部門」(Other Transaction Authority)，加快發佈先進網絡安全加密模型，以防止量子計算機對現有加密模型進行黑客攻擊。

量子計算機超越了傳統計算機的局限性。傳統計算機一次只能進行一個計算，它利用「0」和「1」的兩個二進制數字打開和關閉通過晶體管的電子電流來運作。而量子電腦採用可以以量子力學的疊加態原理及非局域糾纏態為基礎同時存在兩種狀態的亞原子粒子運行。這個顛覆性的先進計算系統理論上可讓新電腦解決傳統機器無法解決的問題。

IBM 首席信息官普列文(Fletcher Previn)在今年3月於巴爾的摩舉行的AFCEA TechNet Cyber技術網絡會議上描述了來自量子計算的挑戰:「這是一種與傳統的計算完全不同的方法，計算是當前所有計算機運行的基礎。但很可能在過去的x年裏，我們一直在用錯誤的計算方式為計算機編程。量子理論更接近於自然界如何計算事物的方式。」

一家名為「D-wave系統公司」的量子計算機公司為谷歌(Google)和其它研究機構提供了量子計算機的硬件。9月24日，該公司宣佈將提供一款名為「D-Wave 2000Q」的2048-Qubit量子計算機，並將展示顛覆性技術的加速變革。

不過，「D-wave系統公司」此前曾多次宣佈其量子計算機製造成功並打破運算紀錄，但均遭到外界質疑。美國New Scientist網站2014年1月15日的報道稱，D-Wave公司量子計算機加速的浮誇宣傳已經破滅。這篇文章標題叫做「Google 購買的D-Wave量子計算機沒有通過量子加速測試」。

中美高科技競爭的新前沿?
與此同時，外界注意到，北京也在加快量子計算機的研發。中共領導人已經要求解放軍在2035年實現全面現代化，並在2050年實現向軍事大國的過渡。為了達到這一目標，中共2019年的軍費開支增長了7.5%。但同時，中共在技術研究方面的預算卻增長了13.4%，並且主要集中在人工智能、量子計算和類人機器人的集成上。

2018年初，中國的物理學家宣稱，通過實現18量子位元的量子糾纏，中國將成為第一個實現「量子霸權」優勢的國家。中國的物理學家還宣稱，在量子計算機實現了18 量子位元(18-Qubit)的量子糾纏時，中方仍然能夠控制每個量子位元，從而創造了量子計算紀錄。但在谷歌公司近日公佈了53量子位元量子計算機的成果之後，北京還沒有做出任何評論。

原文出處 :
https://hk.epochtimes.com/news/2019-10-08/34237611