HHRI/掌握量子計算 具備定義未來的能力

【鴻海研究院】
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科技發展跟算力有著高度相關,從古時候的算盤到現代的電腦,都是希望藉此能夠跳脫人力腦力限制的工具。再將時間拉近,回顧從真空管時代的電腦到如今的手機,雖然看起來效能相差很多,但同樣是在圖靈運算的架構下運作,差別只在於每秒鐘能夠執行幾行指令的能力。

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不過,離子阱實驗室主任林俊達表示,光是這樣的差異,就已經非常重要。例如 20年前我們絕對無法想像大數據與人工智慧帶來的改變,以及在化學、藥物、金融、能源等領域的應用,這些都是算力高度發展所產生的巨大影響。

基於矽工藝的傳統電腦效能一直以來遵循著摩爾定律的預測。然而,在元件愈做愈小且愈來愈精細的要求下,已碰觸到物質世界的極限—原子,而面臨難以突破的瓶頸。林俊達表示,下一代算力的希望在於量子科技,因為量子計算已經證明在某些重要的科學問題上會產生指數加速的效能,可處理的計算量可望量變帶來質變,使得未來的科技發展將不再是線性的。因此鴻海從 2020 年就積極投入研發量子電腦軟硬體。他強調,未來是量子科技 2.0 的時代,唯有掌握量子計算,才更具備定義未來的能力。

離子阱技術效能可望超過超導位元

離子阱是一種抓住離子的技術。為了實現量子電腦,需要多個離子排成陣列,並將每個離子作為一個基本運算單元—量子位元。打造量子電腦的技術重點在於量子位元的設計與位元間的操控,目前世界各國投入的重點系統包括超導位元、量子點、光子或離子阱等,例如 IBM 和 Google 是使用超導位元做為量子電腦的核心。

比較目前領先的超導位元與離子阱兩者技術,林俊達說明,前者的製程相容於半導體工藝,量子位元數量多且操作速度快,因此相當受到業界青睞。而離子位元的優點則在於天生的「一致性」,資訊儲存時間長,且邏輯保真度高,具有最完備的位元連結性,且能夠移動重組排列,近兩年的效能已經領先超導位元。

量子運算的效能如何衡量? IBM 的科學家們提出「量子體積」做為計算度量,用來描述一部量子電腦可解決的問題複雜度,其中包括能夠支配的邏輯量子位元數、可以做多少層運算。有趣的是,雖然這個方法由 IBM 提出,但離子阱的效能在 2021 年之後就超越 IBM 且持續領先。這樣的結果並不難理解,因為就可達成的計算深度,意即在量子資訊能有效維持的時限內可以完成的邏輯操作次數,離子系統是超導系統的 1000 至 1萬倍。同時,離子陣列連結性、保真度高達99.99%都體現了離子系統的優勢。

自製刀鋒型離子阱核心系統

2022 年對鴻海研究院離子阱實驗室而言,是關鍵的一年,目前正如火如荼建置中。離子阱實驗的系統架構包括超高真空系統,以及用來照射、操控離子的穩頻雷射與精密控制系統,另外則是透過影像系統和光學元件收集原子發出的螢光之後,再透過光偵測系統導入精密電腦進行分析與處理來獲得運算結果。

目前,實驗室已成功研發並製作出第一代單區刀鋒型離子阱核心,並在 2022 年鴻海科技日公開展出。刀鋒型離子阱核心使用六片式電極施加交流的強電場來束縛離子,對於離子所在的空間位置提供較好的包覆性以隔絕外界干擾。其次,鴻海研究院離子阱實驗室也與陽明交通大學李佩雯與郭建男教授產學合作,開發低光子偵測元件,達成更準確、更高效的量子位元量測。

在量子運算領域發展新技術,必須跨領域尋求合適的專業組織和研究團隊進行合作。林俊達表示,例如目前實驗室和鴻海集團 C 事業群合作,透過鴻海製造的實力,已經能做出比肩國外水準的刀鋒型離子阱。同時,也和中臺科技大學林志郎教授合作,藉由微米級 3D 列印技術開發 3D 列印離子阱,以縮短設計與測試時程,可望在未來達成可擴充性。期望可以透這些技術合作開發,帶給量子社群新的啟發。

產業轉型的關鍵學習與實驗

針對未來發展,林俊達表示軟硬結合是必須過程,所以離子阱實驗室會結合量子所的軟體能量,發展容錯計算、編譯器及模擬器。同時,結合鴻海集團的半導體技術,研發晶片與集成系統,朝模組化及完善位元連結性方向發展。最後,量子計算的最終解決方案勢必仰賴大型可擴展性架構,其中包括量子電荷耦合元件,以及離子穿梭技術,都是重要研發方向。

量子計算雖然距離技術成熟仍然許多待努力之處,林俊達坦言,「我們也擔心外界有超過現實的想像,」實際上,這是產業典範轉型的學習與重要實驗,技術絕非一蹴可幾,需要反覆試錯、累積經驗。不過,無可否認,量子計算絕對是下個世代的「聖杯」,而鴻海研究院的努力投入,並與國內外進行技術合作,也累積出值得肯定的成果,相信能夠推動量子計算的技術,促成產業典範轉移,定義未來新科技與新市場。

全文轉載自鴻海研究院TECH BLOG

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