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微软抢先 Google、IBM 推出祕密武器「Q#」,要让量子电脑遍地开花

2020-07-09
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微软抢先 Google、IBM 推出祕密武器「Q#」,要让量子电脑遍地开花

量子电脑(Quantum Computer)被视为是下个世代的运算工具,微软执行长萨蒂亚·纳德拉(Satya Nadella)也曾将人工智慧(AI)、AR、量子电脑三者并列为未来重要的技术;Google、IBM、Intel 也都虎视眈眈要抢攻这被视为明日之星的新科技,为了及早準备进入量子电脑的未来,微软在本周宣布推出一款程式语言「Q#」,能够协助开发者开发量子电脑的软体,还喊出要在 5 年内让量子电脑进入商业市场。

好不容易搞懂了 AI、AR、VR、无人车这些最新的科技,量子电脑又是什幺?将会如何影响未来的世界?

别于传统电脑,量子电脑运算能力加速

物理学家理察‧费曼(Richard Feynman)早在 1982 年提出将量子体系用于运算的想法,因此许多科学家开始投入量子的世界,并将量子电脑视为翻转现代电脑科学重要的关键点,但量子电脑在 1980 年代技术并不成熟,大多处于理论推导的阶段。

微软抢先 Google、IBM 推出祕密武器「Q#」,要让量子电脑遍地开花

量子电脑被视为是下个世代的运算工具,拥有极快运算速度。

量子电脑比起传统电脑拥有极快的运算速度,有别于传统电脑是以简单的 0 与 1 位元(bit)来储存资讯,量子电脑靠的是量子叠加(superposition)、量子缠结(entanglement)两种特性。量子叠加以量子位元(qubit)为单位,每单位可以是 0 或 1、0 与 1 相互叠加,共有 4 种组合,可以储存更多、更複杂的资讯;量子缠结指的是量子位元可以分组聚合,让电脑运算能力因此更为强大。

简单来说,可以把传统电脑想像成单一种乐器,量子电脑就像是众多乐器组成的交响乐团,能够一次同时演奏不同的段落,也就是说一台量子电脑,可以在短时间内完成一般电脑需要花上数十年才能解决的问题。

微软执行长萨蒂亚·纳德拉则曾用迷宫来比喻,一般电脑若要走出迷宫,需要不断地测试、重来,直到找到正确的那一条路,会耗费许多时间,然而量子电脑能将资讯编码,同步测试迷宫内所有的通道,这也就是为什幺说量子电脑是「下个世代运算工具」的原因。

微软打造 2 款量子模拟器协助开发

12 年前时任微软首席研发策略长克瑞格·蒙迪(Craig Mundie)第一个跳出来支持物理学家费曼研究量子运算,让量子电脑的发展一步步走向现实。微软今年 6 月也公布两款量子模拟器,一款可以实际在一个场域中运作,另一款能够在微软 Azure 云端平台上运作。

微软负责量子软体开发的资深研究员 Krysta Svore 谈到:「量子模拟器能让开发人员在实体机器尚未问世的情况下进行开发工作;量子电脑能够自动进行建模,如果是透过传统电脑,我们并不能真正了解这些流程。」

微软也在今年 9 月的 Ignite 全球开发者大会上,宣布量子运算将是未来发展的主要目标,并提到要在年底释出量子运算程式语言的 Preview (预览版),将会整合到微软开发工具套件系列 Visual Studio 中,预计可支援量子模拟器及未来量子电脑。

量子运算程式语言「Q#」诞生

达成 9 月在 Ignite 开发者大会上的目标,微软在本周宣布推出量子运算程式语言的 Preview (预览版)开发包,号称可以降低商用量子计算技术的出错率、增加稳定性,并加快量子运算走向商业化的速度。

这款开发包,有一个叫「Q#」的程式语言,可以协助开发者为量子电脑开发软体,以及一台整合在微软开发工具套件系列 Visual Studio 中的量子电脑模拟器「Q# library」,个人用户最多可以模拟 30 个逻辑量子位能问题、企业客户则可以模拟超过 40 个量子位能的计算问题,让开发人员可以在一般电脑上利用 Azure 云端服务测试量子电脑软体,提供全套式的解决方案。

同时,微软正在研发一款更稳定的拓扑量子位元(topological qubit),拓扑量子电脑最早的用途,是协助 AI 研究人员利用机器学习加速训练演算法,资深研究员 Krysta Svore 提到量子技术的演算法能够大大提升机器学习效率;微软量子计算主管托德·霍姆达尔(Todd Holmdahl)则说,因为拓扑量子电脑可以创造更稳定的量子位元,因此电脑出错的机率也会因此降低,并认为在未来 5 年内,微软量子电脑就能走向市场。

不只是微软,Google、IBM 也都在布局量子电脑领域,Google 在今年 10 月宣布将在明年初测试自家的量子电脑,并喊出最快要在 5 年内推出商业化的量子电脑;IBM 同样在量子运算领域深耕多年,今年3月公布第一款商用可量产的「IBM Q 量子电脑」,并表示在未来几年内会开始把用量子电脑交货给合作伙伴,且有信心在未来 10 年内打造出一台具备 50~100 位元的量子电脑,运算能力将远远超越现在任何一台超级电脑。

微软抢先 Google、IBM 推出祕密武器「Q#」,要让量子电脑遍地开花

 今年 3 月,IBM 公布第一款商用可量产的「IBM Q 量子电脑」,并表示在未来几年内会开始把用量子电脑交货给合作伙伴。

研发量子电脑的困境?

不过,研发量子电脑也面临不少困难,像是微软所使用的拓扑量子相当脆弱,量子位元可能因为噪音等干扰导致数据流失,为了将干扰降到最低,必须将处理器放置在比太空还冷上 250 倍的低温环境中,在这个「地球上最寒冷的地方」才能让人类与量子电脑一起工作,目前为止因为打造这样的环境条件仍需要相当困难的技术,也导致量子电脑发展速度受到限制。

即便目前量子电脑的技术仍在非常早期的阶段,但这项科技的潜力是所有国家及公司都不会想错过的,就像前微软首席研发策略长克瑞格·蒙迪(Craig Mundie)说的:「这是 70 年来,我们第一次建构一个完全不同的运算系统,这并非升级或改进,而是一个完全不同性质的新事物。」