HHRI/離子阱量子電腦打造下一座護國神

【鴻海研究院】
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量子電腦(Quantum Computer)因擁有強大算力,被視為將「主宰下個世代的運算工具」。做為台灣首個積極投入量子研究的企業,鴻海研究院量子計算研究所2021年底於NExT FORUM正式宣布成立全台首間離子阱實驗室。這場論壇邀請國內外產業專家、學者分享最新量子科技趨勢,展現布局量子產業的決心,盼能打造一個由產、學、研三方相互支持的生態系統,希望台灣不論在學術或產業,都能跟上國際潮流,打下量子產業的根基。

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量子計算是當前備受關注的焦點,已知在密碼學、化學、金融及生物科技領域上將有著傳統電腦所無法企及的優勢。這幾年來,Google、IBM、微軟和Intel等科技大廠早已紛紛布局量子電腦領域,各國政府也積極投入經費研發。鴻海科技集團董事長兼鴻海研究院院長劉揚偉表示,鴻海研究院創下全台產業之先,邀請中央研究院原子與分子科學研究所副研究員張銘顯,及台灣大學物理系副教授林俊達參與籌辦離子阱實驗室,並邀請林俊達副教授擔任主任,計劃在五年內推出5到10位元開源、可編碼離子阱量子電腦,作為中、長期可擴展量子電腦的平台。

離子阱實驗室打造下一座護國神

鴻海研究院諮詢委員、台灣量子電腦暨資訊科技協會理事長、台大IBM量子電腦中心主任張慶瑞表示,目前量子電腦的研發有多種技術同時在進行,像是IBM推動的超導位元,以及Quantinuum、IonQ推動的離子阱等,鴻海研究院在評估人力、物力及未來發展潛力後,決定投入離子阱發展,希望集結台灣關鍵人才資源,整合矽島的基礎,建立基礎研發能量及離子阱量子電腦未來發展的可能,目標在世界占有一席之地。為什麼量子電腦顯然是台灣資通訊產業升級不能放棄的機會?在產學界的專家學者眼中,這是為下一個世代產業打底的工程,而離子阱系統需要許多技術門檻極高的致能科技(Enabling Technologies)支持,對硬體規格的要求可謂近乎苛求,一些困難的工程問題,無法單靠學術界解決,需要工業界的支援。因此鴻海科技集團的投入,會是對系統研發極為關鍵的助力。

開發量子電腦的不同系統各有優缺點,而且需要的是一連串的技術突破。可以說,走向量子科技是必然的結果。

雖然投資的結果可能是全拿或全輸,不是1就是0,但鴻海研究院評估,這樣的投資「仍有機會留下0.5」。因為建立離子阱實驗室對硬體要求十分高,光是把硬體做好就是在磨練下一個世代的科技產業技術。國際知名學者、芝加哥大學物理系教授金政也強調,量子力學不只能用在量子計算,對於其他科技領域都會產生極大貢獻。張銘顯與林俊達皆同意,和鴻海集團合作投入量子電腦研發,為的不僅是下一波商機,也希望過程中留下的知識能為整個產業帶來啟發,並打下厚實基礎。

量子疊加使量子位元比古典位元有優勢

金政在這場論壇中分享,透過他的研究——利用超低溫原子來實現量子計算的優勢,剖析了量子計算的基礎、應用與挑戰。他指出,若能在一定程度上模擬特定的量子系統,知道系統動態的演變,或許就能藉由控制量子系統來模擬宇宙的形成。古典電腦的一個位元只能表示0或1的狀態,而擁有量子力學性質的量子電腦,則是使用能同時處於0和1的疊加態作為計算單元,稱為量子位元。量子疊加是古典位元與量子位元的主要差別。

量子疊加的重要特性是,當位元數增加時,能表示的資訊量相較於古典位元的線性增加,量子位元能表示的資訊空間將會指數成長。因此,在處理如模擬複雜系統、與密碼相關的質因數分解,參數最佳化以及資料庫搜索等問題時,藉由量子演算法,量子電腦相較於古典電腦更具優勢。

在量子位元的數量可以規模化,以及穩定度增加之前,目前最能展現量子電腦優勢的問題是量子模擬。金政的實驗室主要進行不同領域的量子模擬研究,以極低溫的銫原子來實現量子位元,並藉由施加光子來控制量子位元的狀態,而量子系統的控制則是透過量子物質合成器(Quantum Matter Synthesizer)來達成。量子物質合成器將原子加載到特殊晶格中,待原子冷卻後,可以透過移動晶格來控制原子分布並進行成像,進而控制原子與原子之間的交互作用,在量子模擬方面有著很大的幫助。

金政表示,這個系統最特別的地方是,雖然藉由多個原子進行實驗,無法確認個別原子的狀態;但只要能控制並知道系統的演化,便能在一定程度上模擬特定的量子系統,從而知道系統動態的演變,進一步了解複雜的物理現象,例如將量子電腦與外部環境視成不同的兩個系統,並藉由控制量子系統來模擬宇宙的形成。

打造高效率的商用離子阱量子電腦

儘管量子技術還處於早期發展階段,但全球許多科技巨頭已積極布局研發,例如工業大廠漢威聯合公司(Honeywell International),先前宣布完成收購英國Cambridge Quantum,並成立新的量子運算公司Quantinuum,提供軟硬體結合的全端量子計算解決方案。

Quantinuum首席科學家Patty Lee著重研究離子阱量子電腦的量子電荷耦合器件(QCCD)架構,她在論壇中分享,這個架構的特點是離子阱設備上擁有多個區域,能將離子移動到不同區域上執行量子操作。優點是可以保持短離子鏈,避免處理時過於複雜。即使系統中的離子數量增加,也可以保持高保真(High Fidelity)狀態與非常低的串擾(Crosstalk)。

除此之外,量子電腦還能根據量子計算中途的量測結果,執行特定的量子邏輯閘並重置特定的量子位元,不僅能幫助使用者更有效率進行量子模擬,還能重複進行量子糾錯。瑞士蘇黎世理工大學教授Jonathan Home也曾提到量子糾錯在大尺度量子計算的重要性。現行的量子糾錯方案在假設計算錯誤和雜訊的發生都在毫無關聯的前提下,將量子資訊以非局域的方式儲存,再透過不破壞這個非局域資訊的測量方式來揪出錯誤並修正。

量子電腦是台灣資通訊產業升級不能放棄的機會,雖然看起來目前還是停留在「看好未來發展潛力」的階段,且台灣已經落後於全球量子電腦的競爭20年,但若因此而決定不投,恐怕無法承擔「萬一成功」的損失!

掌握量子電腦優勢從關鍵技術著手

量子電腦擁有強大算力,被視為「下個世代的運算工具」,但距離成功還有很多障礙要克服

來自新加坡的新創公司Horizon Quantum Computing即是以量子軟體公司為定位。執行長Dr. Joe Fitzsimons認為,想要操縱量子電腦解決實際問題,首先在硬體上需要更可靠的裝置以及更高效率的量子糾錯;另一部分則是如何讓使用者使用這些量子裝置,這需要截然不同的思維模式。

作為中國率先開展光量子晶片及光量子電腦商業化的公司,圖靈量子(TuringQ)的創始人兼CEO金賢敏及他的團隊以開發光子電腦為目標,包括光子晶片的演算法與系統。他認為,與其他量子實現平台相比,光子的產生、操縱和測量相對容易,並且可以在不與環境耦合的情況下進行長距離傳輸。預期下一代的3D光子晶片會大幅降低重量且提高精度與層數,也能提供給各領域的研究小組用於特定演算法及特定應用。

目前,圖靈量子也在研究量子機器學習,並嘗試與Amazon等大科技公司合作;並使用量子強化學習尋找如何合成具有高轉換效率的光電材料。這表示量子機器學習可以比傳統機器學習更有效,因而能應用在金融科技、人工智慧和大數據領域上。

全文轉載自鴻海研究院TECH BLOG

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