楊建銘專欄:量子電腦春暖花開

2017-06-30 06:40

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圖為Rigetti Computing的8量子位元處理器(官方照片)

圖為Rigetti Computing的8量子位元處理器(官方照片)

我大學前後一兩屆的同學和學長弟們,大多在千禧年前後進入職場或者赴美深造。其中就職組裡面以進入新竹科學園區做晶片設計最為普遍,當時正值台灣晶片設計公司高峰,先行者的威盛和瑞昱都是股市寵兒,本來低調賺錢的聯發科也在千禧年後選擇掛牌上市,連年整批吸收台清交畢業生。

相較於台灣就職市場隨著股市跑,赴美深造組就多元多了。有人走上了光纖材料的研究路線,有人鑽入了與光場相關的影像編碼技術,有人離開了電機的領域改攻金融工程,甚至有一位轉型成為了裝置藝術家。但這裡面對我來說最有趣的,是一位同學一頭栽入了量子電腦相關研究。

小時候夢想成為科學家的我,很早就囫圇吞棗地啃了很多艱澀的理論。撇開一些太過抽象和冷門的數學理論不說,大部分的科學理論我都或多或少能夠理解到一點皮毛,唯獨量子力學,當年英文程度還不夠的我抱著中文書籍怎樣都摸不著邊。到了大學因為走上電機電子工程這條路,和量子力學連結就只剩下在半導體理論初章時,教授耳提面命地說如果沒有量子力學,就沒有半導體——但說真的現場有聽懂的同學,可能一雙手就算得出來。

但量子力學始終在我心中佔著一定地位,一方面是因為類似於「征服百岳」的那種不服輸的感覺,另一方面由於自己對哲學的興趣,讓我對於明顯與先蘇哲學或是後尼采哲學相通的海森堡測不準原理之類的量子理論,更多了一層成年後的憧憬。

所以當年聽到竟然有同學在美國研究量子電腦後,還在園區設計著電路的我不由自主地抽空出來看了一些相關的研究報告,但不管是哪份報告,看起來離實用都還遠得很,所以我也就沒擱在心上。

沒想到不到十年,量子電腦已經成為科技巨頭和矽谷創投狠砸資本的領域,尤其今年開春以來幾乎每一兩個禮拜就會有一則量子電腦的新聞,讓人有一種科幻片正在發生的感覺。

但事實上量子電腦突然爆紅是很合邏輯的,關鍵字就是我們的老朋友機器學習。

不同於傳統電腦使用0與1的二進位系統,量子電腦在原理上所使用的量子位元(qubit),可以同時以不同的或然率存在於兩個狀態。換個角度講:傳統電腦其實應該視為量子電腦的一個特例,在這個特例中一個位元只能夠是兩個可能狀態的任一,相對地,量子位元則可以是兩個可能狀態的任何疊加(superposition)。這個特質,加上不同量子彼此之間可以跨越距離進行纏結(entanglement),讓量子電腦理論上可以用很少的能量就完成大量的平行運算

這裡面又以矩陣乘法(matrix multiplication)這樣的平行運算應用讓我們特別感興趣,這是因為神經網絡中最吃重的運算就是矩陣乘法。以二進位電腦的結構來說,隨著輸入維度的增加,矩陣乘法的硬體需求將以指數成長,雖然有很多方式可以進行簡化,但所有簡化技巧都只是治標不治本,如果人工智慧最終的目標是理解世界上人類在乎的所有事情,那麼顯然使用二進位電腦進行的機器學習一定會遇到運算需求指數成長的瓶頸。但如果採用量子電腦就不同了,透過疊加和纏繞,量子電腦對於輸入維度的增加理論上只有線性增長的需求,耗能的增長也會回到線性的路徑,其未來比傳統電腦有遠遠更多的想像空間。

因此隨著機器學習的大鳴大放,突然間一直被關在學術象牙塔裡的量子電腦也成為了熱門話題。

帳面上看起來跑在最前頭的似乎是又是谷歌大神。根據它們最近釋出的官方聲明,這家包山包海的科技龍頭的20量子位元機型已經進入測試,另外他們也預定在年底前推出49量子位元(7x7矩陣)的機型——在谷歌的理論模型中,49量子位元將是量子電腦首次在各方面超越傳統電腦的「量子優越性」(quantum supremacy)時刻,如果谷歌真能如預期在達陣,2017年將成為計算機歷史上相當重要的一年。

人工智慧領域的老大哥IBM也沒閒著,他們在日前宣佈在雲端開放其16量子位元的計算機給大眾測試使用。要注意的是,IBM的16量子位元計算機和谷歌正在測試的20量子位元計算機,誰高誰弱,其實這個階段很難評論,因為量子電腦本身理論就是建立在或然率上,因此量子位元的數目本身並無法代表計算能力,還得考慮到錯誤率和其他因素,所以很會公關宣傳的谷歌和累積了幾十年整合系統研發和量產能力的IBM,到底誰在量子電腦上佔有優勢,可能還要再幾年才能分曉。

另外除了科技巨頭以外,新創當然也沒閒著。最有名的量子電腦新創當數D-WaveRigetti Computing

其中成立在1999年的D-Wave算是很老的新創了,也是唯一一間有在正式出貨量子電腦的。但這家老店一直都被歐美學界質疑,認為其量子電腦並未真正應用到纏繞,直到2011年他們在自然期刊(Nature)上刊出一篇論文,才稍稍堵住批評者的嘴巴。有趣的是谷歌最早開發量子電腦時,也是先採購D-Wave的商用量子電腦來做研究。

位於柏克萊的Rigetti Computing則是新近的當紅炸子雞,其走紅的原因倒不在於有多少人真正理解他們的技術和區別性,而在於他們那華麗的投資人陣容:安德遜・霍洛維茨、YC的成長基金Continuity Fund、楊致遠的AME Cloud Ventures、Sutter Hill Ventures以及Lux Capital⋯⋯等。而隨著Rigetti明星陣容的投資人出列,作為老牌對手的D-Wave也趁勢從富達投資和高盛這樣頂級的金融機構手上募得成長基金。

講了半天,量子電腦到底長成什麼樣呢?如果讀者自己在網路上搜尋的話,大概都會找到類似下面兩張的照片:

(官方照片)

Rigetti Computing的8量子位元處理器(官方照片)

(官方照片)

Rigetti Computing的量子電腦(官方照片)

第一次看到這兩張照片的讀者可能會低頭看看自己手上的智慧型手機,和眼前的筆記型電腦,然後懷疑編輯是不是貼錯照片了。

事實上,目前的量子電腦技術多半利用超導體的量子特性,因此除了處理器和光纖連結主體本身以外,還需要完整的冷卻系統來把材料降溫到出現超導體的量子特性為止。以D-Wave那篇2011年的自然期刊論文為例,他們進行實驗的三個溫度分別為:絕對溫度22毫度、50毫度和90毫度,不僅根本就是在絕對零度邊緣徘徊,彼此差距也只有幾十毫度。換句話說,量子電腦的冷卻系統不只要夠冷,還要夠準——光華商場賣給電競玩家的超高級散熱風扇肯定是不夠的。

這兩張照片對台灣的電腦產業可能也會產生巨大的衝擊:它們怎麼看都像是手工的精密機械,而不像在深圳的工廠所能大量生產的。如果量子電腦開始取代傳統電腦,台灣的供應鏈會出現什麼樣的地殼變動,大概不是每天追著代工廠供應鍊跑的證券分析師可以想像的。

最後,量子領域一個有趣的現象,是各國公家投入的研究經費非常高,而且並不只限於美國!

(來源:經濟學人)

麥肯錫統計的2015年量子相關科技研發經費(來源:經濟學人

上圖是經濟學人根據麥肯錫的調查數據所整理出來的,可以看到2015年一整年,美國、歐洲和中國各投入了360M€、550M€和220M€的研發經費在各種量子領域中,而全球研發總支出更高達1.5B€!

燒了這麼多錢,多數死老百姓卻連量子電腦都沒聽過,如果放在台灣肯定會被網軍追殺吧⋯⋯

另外在專利申請上也有相當有趣的分佈:

(來源:經濟學人)

2015年量子技術相關的專利申請趨勢(來源:經濟學人

從上圖可以看到,整個歷史累積下來,美國和中國在量子技術的專利申請上毫無意外地位居前兩名,其中中國在量子加密技術(Quantum cryptography)上更是大幅超越美國高居第一。但更有趣的是,美國的專利申請在2005年前後到達了高峰,隨後幅度就大幅縮小,反而是中國的專利申請數量從2010年起飛,然後持續放大中。這也造成一些美國專家憂心中國量子技術超越美國,就像有些專家憂心阿里巴巴橫掃美國一樣。

那麼台灣呢?也許你會問。

其實在上圖中我們可以看到在量子感測器(Quantum sensor)的領域,台灣申請了兩個專利,並沒有在三個領域都掛蛋。考慮到量子感測器公認是幾個量子技術領域中能夠最早實用化的,我們應該要有點慶幸。

但台灣是不是應該在前瞻計畫之類的大拜拜裡納入量子技術項目?看到這篇文章的朋友們,就留給你們評論了,我自己還得忙著追歐盟量子宣言(Quantum Manifesto)中宣布要投入的十億歐元研發經費將流向哪些實驗室,因為對於風險資本家來說,沒有比這更好的槓桿了!

*作者台灣大學電機畢業,在台灣、矽谷和巴黎從事IC設計超過十年,包含創業四年。在巴黎工作期間於HEC Paris取得MBA 學位,轉進風險投資領域,現為Hardware Club合夥人

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