01 - 量子電腦介紹 (Quantum Introduction)

前言

  • 20 世紀中期,世界上第一部電子電腦誕生,協助人類執行計算和處理信息,隨後有了標準的計算模型,可以追溯到 Turing 和 von Neumann。而在 70 年後的今天,我們已經可以說是一個沒有電腦就無法生活的社會了,而那人手一支的智慧型手機其實也是個小型的電腦。

  • 儘管電腦的發明大大地提升人類對數字的計算與掌控,但仍有不少課題是超出當前電腦的能力所及,於是科學家開始將目光轉向以量子理論為基礎的「量子電腦」來解決這一類的課題,但在講量子電腦之前,先提一下其所使用的量子位元與當今電腦的位元有什麼樣的差別。

量子位元 (qubit)

如同電子電腦是由「電子位元」與「邏輯閘」組成,量子電腦也是由「量子位元」與「量子閘」組成的。

  • 電子位元 (bit) 是利用電路是否通電來表示 0 或 1 (非0即1),並且所有的處理都可以通過簡單的邏輯閘 (AND,OR,NOT,NAND) 來處理,一次作用於 1~2 bit。在其計算的任何時刻,完全由其位元的狀態決定,因此具有 “n 位元” 的電腦可以有 2n2^n 個可能狀態,範圍從 0 … 000 … 0 到 11 … 111 … 1,但無論如何一個瞬間只能表達唯一一個狀態。

  • 量子位元 (qubit) 利用原子或更小粒子的量子特性 ( 例如:自旋 ) 可以同時表示 0 與 1 (是0也是1) 兩個狀態,稱為疊加態(superposition)。換言之,1 qubit 可以同時表達 0 或 1 這兩個可能性,而 2 qubit 就可以在一個瞬間保有 00,01,10,11 四種狀態,n 個量子位元即可在同一個瞬間佔有 2n2^n 種可能的狀態。這個特性使得量子電腦在某些計算上比任何傳統電腦都強大得多。像是一些著名的問題(例如大數分解),量子電腦顯然勝過傳統電腦。一台量子電腦可以在一天內計算出數字,電子電腦將花費數百萬年的時間。

量子閘 (quantum gate)

量子閘 (gate):與一般的邏輯閘類似,是一種用來操作位元的裝置。

例如:

  1. Hadamard (H) gate
  2. Pauli-X gate (= NOT gate), Pauli-Y gate, Pauli-Z gate
  3. Controlled (cX cY cZ) gates
  4. Toffoli (CCNOT) gate

後續幾篇會陸續介紹到

量子測量 (quantum measurement)

雖說 n 個量子位元,可以在同一個瞬間佔有 2n2^n 種可能的狀態。

舉例來說:
如同薛丁格的貓,我們知道箱子裡有一隻貓,可能是活著也可能是死的。
現在這隻貓同時存在於這兩種狀態,在觀察以前我們無從而知。
那如果硬要問你呢?
是不是開始去想粒子衰變的可能性?
錘子打破毒氣的機率有多高?
"將貓咪的生死在心中做了一個機率分佈"
而觀察這個行為,正是對貓咪做了測量,真正告訴了你,到底是 "生" 還是 "死" ? 

上述的例子就好比 1 qubit , 量子位元在 0 和 1 做出了一個機率的分佈,而測量只是從中選擇一種狀態,如何選擇?一樣還是透過其狀態所佔有的機率作隨機分佈

要注意的是 “觀察只能一次,觀察後量子位元們將會被重置

所以我們能做的事情就是(透過演算法)將期望之事的可能性提升到最大值用最少的觀察得到最滿意的答案。

量子電腦 (Quantum)

如今量子電腦還處在初步階段,許多演算法,想法陸陸續續浮出檯面。

然後現階段的演算法,少得可憐,也不知道到底哪裡可以利用,讓一把大武器沒有展露的機會。

如何有效地利用他,這就是我們要前往的方向。

目前常見的演算法:

IBM 也為此提供了教學和套件供大家使用,讓大家一起為量子電腦的應用動動腦,有人甚至在上面玩猜拳、執行遊戲 … 等。

如果你可以透過量子電腦在纏結、疊加等狀態下,自由控制量子,那麼你可以透過它進行多種平行的運算,處理速度將會提高到非常的快,這將是普通電子電腦無法匹敵的。

但是一般使用的話,像是瀏覽網頁、看看 youtube,用量子電腦畫質不會比較高,Office 也不會比較穩定,繪圖軟體如果 RAM 不夠還是照樣當機,即便用了量子電腦也不會比較快,甚至還可能變慢。

另外存在有一個大問題:儲存。

因為是量子,不能夠在上面保存或複製資訊。如果要轉變一下量子數據,然後把它放在一個傳統儲存裝置裡,這又會佔用很大的空間。有一群物理學家們正在使用 DNA 來做硬碟。據說 1 克的 DNA 可以儲存 215 兆百萬位元組,而且 DNA 的訊息可以保留很久,我們現在就可以非常準確地讀出幾千年前骨骼上的 DNA。

還有量子電腦為了能夠順利運作,所有的組件都要在接近絕對零度(0.0015K)的狀態下,與環境要完全隔絕,任何一點的電磁干擾或溫差都會產生誤差。

雖然問題還蠻多的,好在科技的進步非常的快,相信種種問題一定能漸漸解決,但是距離商業化可能還需要一定的時間 XD。