結構簡單卻能處理複雜性理論 量子電腦優勢終獲證實

【本刊訊】多年來,擁有強大運算能力的「量子電腦(quantum computers)」,已不僅僅只是理論與想法;時至今日,多國政府、電腦公司與情報機構皆傾力投資量子科技的發展。近日,慕尼黑工業大學(Technical University Munich, TUM)複雜量子理論專家寇尼格(Robert König)教授等人於Science期刊發布研究,並開發一種能解決特定困難代數問題的量子電路,證明量子電腦所存在的優勢,為這個重大領域奠定基石。

傳統電腦遵從古典的物理定律,並仰賴由0與1所結合的二元系統,透過這些數字的儲存與運用,便能作出數學運算。傳統內存單元(memory units)裡,皆以電荷來確認每一個最小資訊單元——位元(bit)所處的位置是1還是0。然而量子物理定律中,由於量子位元(qubit)可同時佔據多種狀態,如此的疊加性(superposition)使得0和1是可以同時存在於1個位元裡,這也是為何在單一台傳統電腦必須按順序執行的任務,卻能在量子電腦裡同時操作的原因。

寇尼格等人開發的電路其結構相當簡單,其對每個量子位元執行固定數量的操作,並具備恆定的深度(constant depth);由於量子演算法利用到量子物理學中的非局域性(non-locality),故能解決傳統具恆定深度的電路所無法處理的問題。在該研究發布前,儘管有證據表明量子電腦可能帶來的好處,但這一切並未得到實驗證實。

該研究指出,量子電腦的主要貢獻在計算複雜性理論(computational complexity theory)的處理上。舉例來說,如能解決質因數分解問題的秀爾演算法(Shor’s quantum algorithm),若沒有量子電腦的幫忙,仍然是行不通的。寇尼格表示,憑藉著簡單的結構,新的量子電路與演算法將成為近期實驗裡的大熱門,而量子電腦也可望樹立新的里程碑。

新聞來源
Sergey Bravyi et al., Quantum advantage with shallow circuits, Science, Vol: 362(6412), pp. 308-311, 2018.

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