【科技．未来】量子电脑在“平行世界”极速运算

加拿大量子计算研发公司D-Wave System的联合创办人兼首席科学家Eric Ladizinsky曾描述过这么一个情景，解释“量子电脑”（quantum computer）如何运作：在美国国会图书馆里随意拿出一本书，在其中一页打上X标志再放回去，然后让人在五分钟内将它找出来。（温馨提示：美国国会图书馆的藏书量逾3,900万册。）乍听之下，这几乎是个不可能的任务！然而，Ladizinsky让我们想像：有5,000万个“我”处于不同的平行世界，他们在这五分钟内分头行动去寻找那本被画上记号的书。当预定时间一到，其他平行世界瞬间消失，唯一留下的，是找到那本书的“我”。

Ladizinsky说的并非天方夜谭，这个甚具科幻色彩的隐喻恰如其分地说明了量子电脑有别于传统电脑的地方。自量子电脑的概念于上世纪八十年代被提出来，历经近四十年，量子电脑终于从理论走进了现实。

1981年，科学怪杰、诺贝尔物理学奖得主Richard P. Feynman提出，传统电脑与量子系统遵循不同的物理规律，故采用传统电脑不可能有效模拟量子系统的演化，而量子电脑则可以精确而方便地实现这种模拟。四年过后，牛津大学物理学家David Deutsch在一篇论文里给出了量子计算的抽象模型。然而，仅有设备而无演算法（algorithm）支持的量子电脑，亦无法发挥量子优势（quantum advantage）。

冲击现有加密技术

1994年，贝尔实验室（Bell Labs）的数学家Peter Shor在论文中展示了他的量子演算法，该演算法分解大数值质因数的速度远超传统电脑所使用的演算法。电子商业中广泛使用的RSA加密技术，所依赖的是质因数分解的难度，能快速分解质因数意味着能快速破解RSA。Shor的演算法表明，传统电脑约需耗费一千万年分解一个千位的数字，而量子电脑只需约20分钟，这对密码体系的冲击是显而易见的。Shor的演算法迅速引起计算和物理学界的广泛兴趣，美国政府和美国太空总署（NASA）也开始投入这一领域的研发。

量子计算融合了二十世纪两个伟大的科学革命：计算机科学和量子物理学。电晶体（transistor）和镭射（laser）等技术便是以量子物理学为理论基础，前者推动了计算机科学的更新换代。过去半世纪，半导体电路小型化的快速发展使得传统电脑的性能不断提升，但业界认为，当电晶体的尺寸缩小至1纳米时，由于矽材料的物理限制，“摩尔定律”（Moore’s law）会走到尾声。“过去，我们一直遵循着摩尔定律式的轨道前行，但一旦量子在每个科学领域实现出难以想像的运算能力，我们可能就要和这个阶段告别了。” Ladizinsky说。

上世纪六十年代，英特尔（Intel）公司共同创办人摩尔（Gordon Moore）在半导体产业刚起步时提出了一个论断：随着生产技术进步，电路板上可容纳的电晶体数目每隔约两年便会增加一倍。尽管这一论断只属经验观察，但资讯科技界把这尊称为摩尔定律。及后，由于业界持续突破创新，电晶体愈变愈小，摩尔定律被修正为电晶体数目，每隔一年半便会增加一倍。

有别于一般电脑采用的二进制（0或1），量子电脑的“量子位元”（qubit）可以表示0、1或者这两个状态的任意叠加（superposition）。当两个分别处于叠加态的位元相互缠结，操作其中一个位元，另一个位元就会发生即时反应，这就是所谓的“量子纠缠”（entanglement）。正是叠加和纠缠两个效应，令量子电脑的演算法能够远胜于传统电脑﹐因为传统电脑的一个操作，对应一个确定的路径；量子电脑的一个操作，可以沿着多个计算路径进行，而最终达到的是同一个目标。也因此，传统电脑的运算能力随着位元的增加呈线性增长，而每增加一个量子位元，则有可能使量子电脑的运算能力呈指数级上升。

近来，传统电脑与量子电脑的这个分别开始走进大众视野，就连公务繁忙的加拿大总理特鲁多（Justin Trudeau）也能将其说得头头是道。2016年4月，特鲁多出席普里美特理论物理研究所（Perimeter Institute for Theoretical Physics）的活动，宣布政府资助5,000万加元（约3.03亿港元）予该研究所有关量子电脑的物理研究。席间，一名记者似有意刁难特鲁多，想让他解释量子电脑的运作过程。众目睽睽之下，特鲁多简明且准确地解释了量子电脑的特别之处：“普通电脑运作仅视乎是否有电流通过电线，要么是0，要么是1，是二进制系统。量子状态则更为复杂，因为我们知道物质可以同时是波（wave）和粒子（particle）。量子状态之间不确定的特性，可让我们将更多资讯在更小型的电脑内编成代码。”特鲁多一语中的的回答引来了全场热烈的掌声，相关视频更是在网上广泛传播，有网民甚至高呼：“我爱特鲁多，我想当加拿大人。”

事实上，加拿大对量子电脑的关注也是早着先机，Ladizinsky所属的量子计算公司D-Wave System便坐落于卑诗省。这家创办于1999年的加拿大公司堪称量子计算界的“带头大哥”，公司成立的头五年都在做研究和专利布局，2004年才组建科学家和工程师团队，开始设计、制造和测试处理器与量子计算系统。2007年2月，D-Wave宣布研制出“全球首台商用量子电脑”，并于2月13日和2月15日分别在美国的矽谷和加拿大温哥华展出。

D-Wave的首次登场便在量子电脑界搅动了一池春水，欢呼赞赏者有之，批评痛斥者有之。究竟D-Wave是否真如其所说，研制出了全球首台可以“商用的”量子电脑呢？其他科技巨擘又有怎样的发展路径？请详见另文《另类玩家杀出 量子计算还有几远？》。

上文节录自第149期《香港01》周报（2019年2月11日）《从理论走进现实 量子电脑：在“平行世界”极速运算》。

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