2024-12-20
量子時代來臨！Google Willow突破量子運算瓶頸，效能輾壓超級電腦，如何改變未來科技格局？
多重宇宙不再是科幻電影中的虛構情節？Google早前發表最新的量子電腦晶片「Willow」，能夠在5分鐘內完成，世上最快超級電腦需花費超過宇宙歷史時間方可破解的複雜運算。Google表示，Willow的運算速度快到令人難以置信，這可能是從其他宇宙借用了運算能力，意味著多重宇宙的存在！究竟量子電腦跟傳統電腦在運算方式上有何不同？未來對整個科技產業又會帶來甚麼翻天覆地的影響？
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量子疊加狀態容許多重同步計算
在生成式AI爆紅前，另一項備受注目的革命性新科技是「量子運算」（Quantum Computing）。當今的電腦與智能手機均採用二進制的計算單位「位元（Bit）」，每次運算只會出現0或1的單一狀態，即是「Yes / No」；量子電腦則使用「量子位元（Qubit）」，具有「疊加」（Superposition）特性，容許同時有0和1的存在，形成00、01、10、11的疊加狀態，即是「Yes / No / Both」。
Google Quantum AI實驗室發表全新量子晶片「Willow」，能夠在少於5分鐘的時間內，完成一項全球最快超級電腦需時10^25年的運算任務。（圖片來源：X.com@GoogleQuantumAI）
由於量子運算可以同時出現0和1，繼而產生多重疊加狀態，並進行同步運算，就如同在多個平行宇宙各自進行運算，使得量子電腦能以指數級速度破解複雜計算。譬如4枚硬幣跌在地面上，要這猜4枚硬幣的正反面，傳統電腦要計算16次（2的4次方）才可得出結果，而量子電腦只需猜算1次，擁有比傳統電腦更快解決問題的能力。
量子糾纏無視距離共享傳遞資訊
除此以外，量子位元之間還有著「糾纏」（Entanglement）的特性：不論相距有多遠，一個量子位元的狀態會立即影響另一個量子位元，所以只要觀察某個量子位元狀態，便可以得知另一量子位元狀態，達到信息傳遞的效果。如此一來，量子電腦在運算過程中可以更有效共享傳遞資訊。
不過，量子位元狀態非常脆弱，極易受溫度、振動、電磁等外在環境因素影響，引致量子資訊遺失，造成「量子去相干」（Quantum Decoherence）現象。在量子糾纏下，錯誤資訊會從一個量子位元傳至其他量子位元，擾亂運算結果；一部量子電腦的量子位元愈多，產生錯誤的機會率就愈高，讓運算結果變不得可靠，故此錯誤校正技術被視為提高量子運算實用性的關鍵突破點。
量子位元（Qubit）擁有疊加特性，可以同時出現0和1，產生00、01、10、11的疊加狀態。（圖片來源：翻攝Google官方YouTube影片）
Willow達成低於錯誤校正臨界值
2024年12月9日，Google旗下量子運算實驗室「Quantum AI」創辦人哈特穆特·奈文（Hartmut Neven）發表量子晶片Willow，首次達成「低於臨界值」（Below Threshold）的量子錯誤校正能力，即增加量子位元數時也可減少錯誤，令量子電腦變得更穩定且可擴展。
這個「臨界值」意指量子錯誤校正碼可以穩定運作的最大容錯率。量子錯誤校正碼藉由額外的量子位元結構，在不干擾量子狀態的情況下進行檢查和校正錯誤。今次Google在量子錯誤校正技術的突破，為實現大規模量子運算提供了明確的技術路徑。
Willow超高速運算佐證多重宇宙
Willow晶片內置105個量子位元，用不到5分鐘便可以完成一項極其複雜的運算挑戰。這項挑戰如交給當今最快的超級電腦Frontier處理，需時達10澗（Septillion，10的25次方）年；倘若以完整方式寫出來，就是10,000,000,000,000,000,000,000,000年，既超出物理學的已知時間尺度，又遠遠超過宇宙存在的歷史。
奈文豪言，這組叫人目瞪口呆的數字佐證了量子運算發生在眾多平行宇宙的看法，也跟英國物理學家大衛·多伊奇（David Deutsch）提出的多重宇宙（Ｍultiverse）理論相符。然而，科學媒體《IFLScience》認為，這說法太超前，即使Google在量子運算上有重大突破，惟距離落地使用仍有很遙遠的距離，更不足以證明可以在多重宇宙中進行運算。
量子運算有助縮短新藥研發時間
姑勿論，多重宇宙是否真的存在，量子運算已被科技界視為下一代運算革命，能夠解決傳統電腦需長時間處理的複雜問題，包括：新藥研發、氣候預測、創新材料發現、以及金融市場模擬等。以製藥業為例，研發新藥過程中存在太多不同變數，量子可以同時計算所有變數，有助大幅縮短研發時間，加快新藥上市進程。
至於生成式AI，暫時不會直接使用量子電腦，惟量子運算卻可以幫助產製大量合成數據，供大型語言模型訓練之用；未來如結合傳統運算與量子運算組成混合演算法，更有可能會產生更強大、更高效的AI模型。
由Google Willow晶片組裝而成的量子電腦，運算效能完全輾壓傳統超級電腦。（圖片來源：Google官方網誌）
金融、汽車界投入量子運算研發
縱然量子運算仍有一段路要走，但銀行業者、對沖基金、以至汽車製造商現已開始招攬量子運算人才，組建量子電腦團隊，嘗試開發以量子位元編碼的演算法；部分公司更已跟IBM、Atos、Pasqal等量子電腦製造商建立合作夥伴關係，以利於日後透過量子運算創造商機。
量子電腦公司QuEra Computing訪問了全球逾900名量子運算專家，調查結果顯示51％受訪者認為量子運算的技術進展比他們預期中更快；更有40％認為，量子電腦在未來５年內可以成為超越傳統電腦的替代方案。Google強調，Willow的誕生表明，非常強大而實用的量子電腦確實可以被製造出來，並揚言團隊的下一個目標是，研發出效能遠勝傳統運算，兼且可以解決現實世界問題的量子演算法。由此看來，量子運算距離實用可能不是想像中那麼遙遠！
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