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《STEAM》量子電腦帶來的巨變與機會

張瑞雄 2021/09/14 14:34 點閱 2895 次

這次璨樹颱風雖然帶來一些損傷,但感覺上並沒有如氣象預報一樣那麼驚人。過去氣象預報也偶而有失準的時候,其實各國的氣象站對同一個颱風的路徑預測也都有不相同的情況,顯見氣象預報無法完全準確。

無法準確不能怪罪氣象人員,主要是用來預測氣象的數學模型可能不是那麼精確,即使模型很完整,但模擬模型的電腦可能速度不夠快或容量不夠大,無法在有限的時間內將模型徹底模擬,所以所得到的結果可能只是部分正確而已。

電腦也有難題

氣象預測只是電腦無法在有限時間內解決的難題之一,還有如疫情期間最需要的餐飲外送服務,如果一個外送員接到五個單子,他要如何選擇路徑順序在最短時間內將餐飲送到者五位顧客手上呢?這就是數學上有名的「推銷員問題」(Traveling Salesman Problem)。

這種問題的複雜度是隨著參數的增加而呈指數式的成長,亦即是kn式的成長,其中k是一個大於1常數,n是代表問題大小的參數。想像電腦要解決這個問題需要kn個運算,例如250大約是1015,如果執行一個運算需要一個微秒(10-6秒),那麼解決這個問題需要1015x10-6=109秒,差不多需要32年的時間。即使電腦進步到執行一個運算只需10-9秒,那也需要約12天的時間。

量子電腦是未來希望

所以傳統的電腦技術進步再快也沒用,不過量子電腦帶來了希望,即使當今最複雜的問題(其中大部分無法用現有技術解決),有朝一日可以在幾分鐘內透過量子電腦解決。

與我們最熟悉的傳統電腦不同,量子電腦利用了量子物理學的定律,雖然目前量子電腦的能力有限,但未來技術成熟之後,它將具有指數級的計算能力,所以能夠快速解決需要大量時間和計算資源的問題,尤其對於氣候變遷研究和氣象預測將很有幫助。

許多公司正在模擬研究量子計算如何改進新藥或下一代材料,量子模擬也有助於創造更高效的電池、更好的太陽能電池或風力渦輪機材料,甚至是研發用於碳捕捉吸收性更強的催化劑。在農業中,量子模擬可以顯著降低製造肥料所需的電力,而肥料耗全球能源的比例高達2%。

加密傳輸受挑戰

因此當務之急是加大力度構建可以運行的大規模量子電腦,這是各國政府和科技公司全力投資的目標。量子電腦雖然可以解決各種難題,但也帶來了新的挑戰。例如過去所有的加密技術都依賴電腦無法在有限時間內解決問題而設計,未來量子電腦將讓這些加密技術失效,尋找新的秘密傳輸方法將是重要的課題之一。

量子電腦的實用化將徹底改變人類科學的研究,如何確保這麼強大的工具不會用來做對人類有害的研究,也將是人類是否可以長久生存的重要關鍵之一。


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