量子計算晶片 Willow 的崛起及潛在影響

不曉得各位有沒有跟到這兩天科技圈最熱的話題？在 Transformer 的注意力機制之後，時隔7年Google又發表了另一個可能顛覆世界的量子計算晶片 Willow

引用自 Google / (圖) 注意力機制的發明讓大語言模型得以突破，成為開啟AI時代的重要基石

Willow的技術突破，代表著我們離「未來級」計算能力又近了一步。這也就是為什麼各大國際媒體紛紛用「量子革命」、「計算速度的顛覆」等詞彙來形容

但，這塊神秘的晶片真的有這麼厲害嗎？

▌量子？你說的是那個心靈課程嗎？

說到「量子」，你的腦中浮現的可能不是物理，而是量子療癒、量子心靈這類聽起來很玄的課程

你知道它似乎很高級，總有一種不明覺厲的感覺，但又說不上來到底什麼是量子

想理解物理上「量子」的概念，首先你可以把世界想像成一個「樂高版的地球」模型。如果你將整個模型拆開，直到每塊積木都無法再分解時，那些最小、無法再拆的樂高積木就是我們說的「量子」

量子不只是組成物質的基本單位，甚至還有點「奇幻特性」

在這個微小的世界裡，積木可以同時出現在兩個地方，甚至以你意想不到的方式互動！Google的 Willow 晶片，正是利用這些量子的奇特行為，達到傳統電腦難以做到的計算能力

▌量子電腦和傳統電腦有什麼不一樣？

想像一下，你現在正站在一座巨大的圖書館中，裡面有數十萬本書。你的任務是找到一本特定的書

傳統電腦的運算單位是「位元（bit）」，每一個位元只能是 0 或 1 這兩種狀態之一。這個運作邏輯就像是一位只有一雙手的圖書館員，無論速度有多快，仍必須一本接著一本翻開檢查，直到找到最正確的那一本為止

量子電腦的運算單位則是「量子位元（qubit）」，所有量子位元能同時處於 0 和 1 的「疊加」狀態

你可以把這個狀態想像成一種超能力，讓圖書館員突然獲得數十萬雙手，每雙手在同一時間各自翻開一本書。因此，在量子電腦的「疊加態」下，並不是逐一打開書本檢查，而是所有書在同一瞬間都被打開了 (也就是所有的計算在同一時間被完成了)

雖然這種比喻不太正確：

但想像一下，多個平行宇宙中，每個不同平行宇宙的管理員各自打開一本不同的書，而這些結果都疊加在同一個時間中，你或許能更理解什麼叫做疊加態

因此，在量子電腦的「疊加態」下，可以讓計算速度以指數級增長，特別是在面對龐大數據量或極度複雜的問題時，能表現出傳統電腦望塵莫及的效率

引用自 Forbes / (圖) 量子電腦

但這有什麼用呢？可以吃嗎？

▌應用：組合優化問題

你是否曾經規劃一次複雜的旅行？要同時比較不同航班的時間、轉機地點、票價優惠，還要考慮旅途的舒適性和時間花費？

這種讓人抓狂的規劃過程，其實就是典型的組合優化問題

在這種情況下，傳統電腦就像一位小幫手，會幫你一項一項地檢查每個航班的條件，但這可能需要耗費大量時間和精力

而量子電腦則像一位旅遊達人

量子疊加的特性能瞬間分析所有航班、票價和轉機組合，幫你快速找出最便宜、最省時間、甚至最舒適的方案。你再也不用在十幾個訂票網站之間來回切換，試圖手動找出最佳搭配

這種能力不僅僅適用於旅行規劃，更被廣泛運用在物流、供應鏈管理等需要快速做決策的領域

例如，某電商平台在配送商品時，需要考慮路徑、運費和時間限制，這些問題看似瑣碎，但其實比規劃一場跨國旅行複雜百倍。量子電腦可以用類似的方式，幫助企業找到最優解，省時又省錢

▌應用：人工智能的超級導航

訓練人工智能 (AI) 模型，特別是像ChatGPT這樣的深度學習模型，就像是在一個巨大的迷宮中尋找寶藏，這個迷宮裡充滿了無數條可能的路徑，每條路徑代表模型的不同參數組合

我們的目標是找到一條能讓AI表現最好的路徑 (最佳解)

傳統電腦就像一位耐心的尋寶者，它會沿著固定的步伐，一條條路徑慢慢地試驗，直到找到最好的結果。但這個過程可能非常耗時，尤其當迷宮的規模（數據量和參數數量）極其龐大時

量子電腦則完全不同

由於量子疊加的特性，量子電腦可以在同一時間探索多條路徑，一次性完成大部分的計算，這讓它能夠快速鎖定潛在的最佳解

Google的研究團隊已經嘗試使用量子電腦來解決深度學習中的「梯度下降」問題（即模型權重如何調整）

量子電腦可以同時處理多個可能的權重組合，大幅縮短訓練時間。這對於像大型語言模型這樣需要數周甚至數月訓練的系統，無疑是革命性的

▌其他應用：數據搜索與密碼學的潛力

除了以上提到的幾個主要場景，量子電腦在量子模擬、數據搜索、密碼學、隨機數生成等領域也具有潛力

例如Google曾用量子計算實現了對特定數據的快速搜索，效率比傳統方法高出數百倍

製藥公司Roche和材料科學公司BASF，已經開始利用IBM的量子技術，模擬新藥分子結構與反應過程，為癌症、阿茲海默症等疾病的藥物研發提速

在密碼學領域，量子計算能輕易破解傳統加密技術，未來也將推動更安全的量子加密技術誕生

▌前路光明但仍布滿荊棘

儘管量子電腦展現了驚人的潛力，我們仍須正視它目前的適用性限制，我們將從技術面、商業面、生產面三個角度，解析量子電腦的局限性，並探討它為何還無法被廣泛應用

技術面：量子「脆弱性」與錯誤率的挑戰

量子計算的核心特性「量子疊加與量子糾纏」，雖然賦予了它超越傳統計算的潛力，但同時也讓它變得異常脆弱

量子比特需要在極度穩定的環境中運行，對溫度、磁場、噪音的干擾極為敏感。稍有不慎，量子態就會崩解，導致計算結果無法被信任

此外，目前的量子電腦仍然面臨高錯誤率的挑戰

一個計算過程中可能需要數千甚至數百萬個量子比特的協作，但目前的技術還無法做到精準同步和有效糾錯

商業面：成本高昂與應用場景不成熟

量子電腦目前的研發成本極為高昂，這是一道明顯的商業壁壘

以IBM、Google、D-Wave等公司為例，每一台量子電腦的建造與維護，都需要耗費數百萬甚至上千萬美元

同時，量子計算的應用場景多為高精尖領域，例如新藥研發、材料設計、金融風險建模等，這些市場雖然潛力巨大，但需求較為專業且有限

目前的量子電腦尚未找到足夠廣泛的「殺手級應用」（Killer Application）來吸引更大規模的商業投資

例如：

雖然量子計算在組合優化問題上表現優越，但傳統的「混合計算模式」（量子計算與經典計算結合）已經可以解決大部分實際問題，因此企業對全面採用量子計算的動機仍然不足

生產面：工藝成熟度與資源分布的不平衡

量子電腦的硬體製造要求極高，現階段仍屬於技術探索階段，量產難度大

一台量子電腦需要極低溫環境（接近絕對零度）來穩定量子比特，這意味著冷卻系統、特殊材料的使用與精密製造技術必不可少。全球只有少數幾家公司與實驗室具備這樣的能力

此外，生產資源與技術的分布也極不均衡。

目前的量子技術主要集中在北美、歐洲和東亞的一些發達國家，而其他地區無法直接參與到技術研發或設備生產中，導致量子電腦的生產與普及受限於區域性資源的不平衡

▌筆者觀點

量子電腦無疑是改變未來的關鍵技術之一，但它的發展仍處於「破冰期」。然而，隨著量子糾錯技術的突破，量子電腦所帶來的「量子革命」或許將重塑我們所知的世界