為Google實現量子霸權的大師級人物、美國加州大學聖塔芭芭拉分校物理學教授馬汀尼斯(John Martinis)日前受邀在「國際超大型積體電路技術研討會」中擔任專題講者,分享量子運算的概念、潛力及未來應用。他認為,以臺灣在半導體領域優勢,透過製程的改善,突破量子位元的瓶頸,有機會打造具實用性的量子電腦。
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台灣:打造量子電腦絕佳場域

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行事曆icon 2023/06/26
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口述/馬汀尼斯 整理/林玉圓

美國加州大學聖塔芭芭拉分校物理學教授馬汀尼斯。

美國加州大學聖塔芭芭拉分校物理學教授馬汀尼斯。

為Google實現量子霸權的大師級人物、美國加州大學聖塔芭芭拉分校物理學教授馬汀尼斯(John Martinis)日前受邀在「國際超大型積體電路技術研討會」中擔任專題講者,分享量子運算的概念、潛力及未來應用。他認為,以臺灣在半導體領域優勢,透過製程的改善,突破量子位元的瓶頸,有機會打造具實用性的量子電腦。

非常高興來到臺灣,參加「國際超大型積體電路技術研討會」(VLSI)的盛會。超大型積體電路是很酷的技術,已經對世界帶來許多改變。多年以來,我和許多同儕一直想運用量子物理,來進行更先進的運算,這個概念是1980年代Richard Feynman所發想,後人再持續發揚光大。我個人絕大部分職業生涯也投入了這個領域,有幸在美國加州大學聖塔芭芭拉分校進行研究,並於2014年加入Google,打造一部具實用性的量子電腦。


量子運算 0與1同時存在

今天我們就來談談量子運算是什麼,它如何運作,其中的軟硬體組成,以及最重要的:為什麼我來到臺灣。大家在化學課或物理課都讀過氫原子,質子的正電拉住了帶負電的電子而形成氫原子;但在量子力學裡,電子不被吸引,而是以波形運動的狀態圍繞在原子核,這些波型的變化有許多組合,利用它的變化,就能進行運算,與目前主流的CMOS電子學的運算方式相同。

但量子運算和CMOS運算還是有相異之處,最基本的差異就是,傳統電腦僅有0與1的狀態,量子電腦除了0與1,還有第三種狀態:0與1同時存在,也就是量子力學提到的「量子疊加」。換言之,傳統邏輯運算是非0即1,但量子力學則可同時運算0與1。


量子位元倍增 算力指數型爆發

打個比方,把量子運算想成平行處理器,以多個量子位元(Qubits)進行同步運算,算力的提升十分驚人。比方說,量子位元的數量從1增至2,增加一倍聽起來不多,但實際上的平行運算效能是呈現指數型上升。兩個量子位元是4倍、3個量子位元是8倍,以此類推,當增加到50個量子位元時,就能挑戰當今最強超級電腦的算力,這也是我目前正在試驗的。如果再往上增加到300個量子位元,這部量子電腦可執行的運算次數,就會比目前宇宙所有的原子數量還多。如此等級的量子電腦,能做的事是傳統電腦所望塵莫及的。


訊息疊加易崩解 軟體演算法待改善

聽起來很美好,不過有但書。進行複雜的量子運算時,多重的平行運算,使得訊息在疊加時很容易崩解,只能透過非常特殊的演算法來解決,可惜目前已知的量子演算法的功能目前仍有限,無法達成量子加速。如果能解決這個問題,量子運算就能展現極佳潛力,比方說,最大的應用面會是在量子化學與量子材料領域;以半導體領域來說,量子運算可用來模擬矽原子的特性,找出奈米尺度下電晶體的運作方式,藉此解決半導體的材料及化學問題。

以上是從軟體的角度來看。不過我是物理學家,也是實驗主義者,想從硬體面來談談如何打造一部量子電腦。回到先前說的氫原子,有人會問,何不把一堆原子放在分子裡,操控它的運動就好了?量子理論發展的最初,確實有人試著這麼做,可惜問題出現了,原子實在太小,如果要置入控制訊號,即便微小如光波或磁場的訊號,原子彼此之間的距離還是太近,無法加以準確操控,也因此這個方法行不通。


打造量子電腦硬體 樂觀但深具挑戰

比較可行的是建立一個大型的人造量子運算系統,已有很多專家投入研究,其中我認為比較好的方式是超導迴路(Superconductor),不過也有其他不同的嘗試,例如離子阱(Ion Trap)、集成電路(Component chip)、自旋量子位元(Spin system)等等。各方菁英都在努力開發,大型企業如Google、新創公司、國家實驗室;學校也扮演很重要的角色。換句話說,量子電腦的發展充滿了各種不同的可能性,可以從多元的角度來切入,我們可以說,現階段的發展非常有趣也充滿活力。

但它也是一個極為難解的課題,比大家想像得更難。人類究竟能不能打造出量子電腦?我們很樂觀;只不過,要找到其中所有的工程解方及科學密碼,是非常大的挑戰。例如量子位元增加時,會有龐大數量的不同組態,如何偵錯,以便確知整個系統是運作無誤?當位元數少的時候,只須一部筆電的算力就能偵錯,但位元數呈指數型增加,就須要資料中心等級的算力才能偵錯。

這也是我在Google做的計畫,我們已經有能力透過演算法來模擬並算出資料量的正確與否,前提是量子閘的數量在幾百到數千個之間,這樣的數量已足以證明演算法運作無誤,但還不夠執行更有用的功能,也就是足以用來做學術研究,但若要打造更複雜的系統,必須進一步改善。


與臺灣攜手 晶圓製程提升效能

這也是為什麼我離開Google後,成立了一間公司,並且與臺灣的研究機構合作,來改善量子運算的製程,從學術等級提升到工業等級,而臺灣就是做這件事的極佳場域。我們希望與臺灣合作,做出更好的量子電腦。舉例來說,製作這樣的設備時,不能使用非晶層絕緣體,否則會產生大量損耗。例如以氬焊機來清洗矽基板,會得到厚厚的非晶層,產生損耗(Dissipation)與阻尼(Damping),削弱量子位元的效能;比較好的作法是使用氫氟酸(HF)表面清洗,就可減少非晶層界面的生成,量子位元的運作就會很好。

這正是我們與臺灣合作的方向,建立新的晶圓製程,將矽晶與鋁晶結合做為很好的介面,讓量子位元的效能更加發揮。這只是其中一個例子,還有很多其他面向要改善,運用極為複雜的晶圓製程,將量子運算從學術研究階段,提升至專業製造的高良率製程。


量子運算學問深 培育人才最紮根

從培養理工人才的角度來看,量子運算也是一門很好的學科,因為要理解量子電腦,必須具備大量的科技知識,包括製程、物理、化學、材料科學、演算法、微波工程學等等,才能懂得量子位元運作的基礎,並打造出量子電腦。換言之,它須要培養多元化的技能,是很好的學習歷程,不論未來專業職涯朝什麼方向發展,都能受惠很大。

量子電腦已經證明有足夠的算力,至少從數學演算法的角度來看是可行的,量子運算及基本概念都沒問題,接下來要做的是,讓量子電腦能夠運行更好的演算法,有兩件事必須努力。一是硬體必須變得更好,二是演算法必須更簡單輕巧;這很類似1940至1960年代發生的運算產業革命,我們必須再複製一次。各界都在努力,大家也都很樂觀,假以時日,我們就能開始在量子電腦中進行實用的運算,並開啟量子產業的發展,讓全新等級的超級電腦來造福人類。

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