量子電腦的三個實際應用

量子電腦是甚麼?

它是利用量子力學的原理來做運算。一般家用電腦是用矽基晶片,量子電腦則是用光子、離子、電子和原子等。它除了可以用在預測美國總統大選,還可以用在最佳化飛機航班,迅速讓被疫情打亂的航班重上軌道,也能用來開發新藥,這是一個數十到數千億美金的龐大商機。

第一,美國總統大選結果也可以用量子電腦做預測

2016年川普對決希拉蕊,民調普遍看好希拉蕊獲勝,卻被川普來個爆冷門。2018年時,電腦科學家利用D-Wave 2X 量子電腦重新分析2016年6月30日到2016年11月26日的數據,發現傳統的預測模型在處理州與州之間關連性的模型不夠好。

舉例來說,如果川普在A州的支持度短期間暴增,同時也會影響B州甚至C州對川普的支持度。D-Wave 2X 量子電腦的優勢在於它有1152個量子位元(Qubits),能夠自然地描述一個波茲曼機模型(Boltzmann Machine Model),這個模型經過數學換算之後可以用在統計學上,並成功的模擬了川普勝選的情形。

利用D-Wave 2X 量子電腦分析或預測總統大選

第二,如何重新安排人力和班機資源呢?

當航空公司遇到颱風、機械故障或者新冠肺炎疫情時,都是他們所不樂見的,因為人力和航班都要重新調度。航空公司現有的方法叫做「異常航班管理(Irregular Operations Management, IROPs)」,這套系統是利用傳統電腦,按照順序一次處理一個參數。例如先處理組員問題,再處理設備問題,最後處理乘客問題,每個參數彼此孤立,得出來的答案通常非最佳解,使得整個系統要重上軌道要花大約一周或更多的時間。

這樣費時的計算方法會造成每年超過5億美元的損失。有了量子電腦的幫忙後,航空公司可以模擬各種情境,並量化各項數據。例如班機延誤,航空交通管制(Air Traffic Control)如何應變,每位乘客如何補償,到底是要給現金、提供住宿,提供升等或是其他選項。

IBM利用量子電腦計算同時滿足機隊、組員和乘客等條件的最佳解

第三,利用量子電腦協助新藥開發

現在的藥物研發都會使用電腦輔助,稱為「電腦輔助藥物設計(Computer-aided drug-design, CADD)」,不過一款新藥從研發到問世平均需要10年的時間和20億美元的花費。劍橋大學量子計算(Cambridge Quantum Computing, CQC)產品負責人愛德華(Chad Edwards)表示,分子模擬用傳統電腦會遇到計算複雜度呈指數型上升的狀況,基本上就是無解。

舉例來說,100個胺基酸組成一鏈,就有10的48次方這麼多可能性,用傳統電腦模擬到天荒地老。但大自然就是如此充滿奧妙,這麼多可能性只要幾秒鐘就會摺疊完成,這叫做「利文索爾悖論(Levinthal’s paradox)」,但利用量子電腦,改變我們對了分子、原子和次原子粒子進行模擬的想法。

蕭(Lucas Siow)是ProteinQure 生物科技公司的創辦人兼總經理,他們的公司把量子電腦用在量子化學、分子嵌合(molecular docking)和定量構效關係(Quantitative structure-activity relationship, QASR)上,利用這種新工具來解構舊的問題,藉此找到解答。

其中一個問題就是「能量最小化(energy-minimization)」的問題,請看下面的案例。

利用量子電腦模擬蛋白質的折疊

IBM利用有20個量子位元的量子電腦來模擬神經肽(Neuropeptide)的折疊情形。神經肽是由神經元所產生的小蛋白,它是由2~40個胺基酸所構成的。IBM模擬了由7個胺基酸所構成的神經肽的各種可能摺疊情形。

蛋白質結構的能量越低,狀態就越安定。從隨意組合開始,經過60次的演算,可以看到如下圖藍色趨勢線不斷往下,即是能量越低,結構越來越穩定;紅色趨勢線不斷往上,即是蛋白質存在的可能性越來越高。

IBM利用有20個量子位元的量子電腦來模擬神經肽(Neuropeptide)的折疊情形

蕭的願景是將量子電腦用在抗體治療,這個市場大約有2000億美金的價值! 就現況而言,藥廠已經用了數以千計的中央處理單元(CPU),圖形處理器(GPU)和場域可編程邏輯閘陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA),在計算未來勢必會多一項新利器,量子計算單元(QPU),有了它的加入,不啻在兵器庫增添了新火力。

2011年的時候,科學家曾經提出過「量子霸權」的概念,以50個量子位元作為分界點,因為如果超過的話就沒有辦法透過傳統電腦去模擬,所以也不能知道量子電腦到底有沒有出錯。

我們已經達到真正的「量子霸權」了嗎?還沒。現在雖然已經能夠做出超過50個量子位元的量子電腦,但在提高量子位元的數目之餘,最重要的還是它降低的錯誤率。量子位元必須在接近絕對零度下運作,並且它大概只能運作20次就會故障。所以接下來的當務之急就是在故障之前盡速的修正,讓它能持續不斷的運作下去。

作者簡介

Webster,台大電機系畢業,
HASSE特派員與作家,
在高科技業從事研發工作,對太空發展有濃厚興趣,也積極投入擔任民間社團組織。
積極推廣太空與科學教育盡一份心力。對於世界各國的太空與高科技發展有特別研究。
訪問過NASA,HASSE太空學校結業。
喜歡DIY,探究事物的基本原理。讀書方面,既讀儒釋道三家,也讀新時代靈性觀。