在解決複雜的數學問題上,人們一向認為量子運算(quantum computing)比傳統電腦更強大——至少對於非專業人士來說確實如此。然而,礙於現有技術的限制,這些理論一直未能被證實。現在,IBM研究科學家透過數學方式證實,量子運算在「處理某些特定問題」時確實比傳統電腦更快。

然而,關鍵就在於「特定」(certain)問題。IBM量子生態系統與策略副總裁Bob Sutor在與《EE Times》的電話採訪中表示,透過數學證據具體證明了量子電腦與傳統電腦在處理特定運算類型的差異。

「這項研究證實了量子電腦的速度更快——由於量子力學和量子運算的先天屬性,你會想在量子電腦上處理的任務或行為是不同的。量子運算明顯將會具有這方面的優勢。」

Sutor說這項證據是一個極其重要的里程碑,因為它將成為建構量子電腦正式結構的基礎——包括它們如何編碼、建構以及圍繞著演算法做出的選擇及其應用方式。不過,它也提供了有關何時是選擇量子運算最佳使用時機或傳統運算是否仍然足夠等參考。

研究人員們在《科學》(Science)雜誌的一篇文章——「量子的淺電路優勢」(Quantum advantage with shallow circuits)中介紹這項數學證據。除了IBM Research的Sergey Bravyi,其他研究人員還包括加拿大滑鐵盧大學(University of Waterloo)量子運算研究所的David Gosset、普林斯頓高等研究院(Institute for Advanced Study)的Robert König以及慕尼黑工業大學(Technische Universität München)的Zentrum Mathematik。

IBM quantum computing IBM科學家以數學方式證明,無論輸入數量如何增加,在量子電腦上處理某些特定問題時只需要固定的電路深度即可,而傳統電腦處理相同問題時則需要電路深度隨著輸入數增加而變大。

為了瞭解這項證據的重要性,更要緊的是知道量子運算中的基本運算單位是量子位元(quantum bit; qubit),它和傳統電腦位元受限於0或1是不同的,因而能用於處理許多其他的數值。量子位元的潛在運算能力每次都可經由糾纏倍增,而量子位元結合施加於其上的操作,一併被稱為電路。

量子位元並非完美,因為其錯誤率較小,而且僅存在一段時間,之後將變得混亂。這即是所謂的同調時間(coherence time),意味著在達到時間限制之前只能執行哪些操作。所執行的操作數量即是深度,而且量子電路的總深度是每個量子位元的所有深度中之最小值。透過數學還證明,當在量子電腦上處理時,某些特定問題只需要固定的電路深度,無論輸入的數量如何增加,而經典電腦則要求電路深度必須隨輸入增加而變大,才能處理相同的問題。

這種有限的深度意味著IBM科學家最感興趣的是短深度電路可以用來做什麼。因為短深度電路對於實現量子演算法相當實用,而且證明了量子運算比傳統方法更具優勢。數學證據顯示,量子電腦在容錯方面做的比傳統電腦更好,但並不一定比所有的電腦更好。Sutor說:「有時我覺得這有點微妙。但這是一個非常重要的區別。」

他說,這項證據是第一個基本步驟,重要的是達到最後的期望——目前我們正處於量子運算的早期階段。「實際上,我們擁有50個量子位元的原型。那是我們現在擁有最大的原型。」

Sutor希望破除業界的一種迷思——「量子加密末日啟示錄」(quantum crypto apocalypse),因為這種迷思將會破壞網路上的加密——它其實需要1億量子位元。Sutor說:「到處都充滿著奇蹟!」

編譯:Susan Hong

(參考原文:Quantum Computing Is Mathematically Better, But Not Always,by Gary Hilson)