當量子資訊來到身邊 When Quantum is around

哈囉,大家好,謝謝BLACK 榮幸今天有這個機會能夠在百頁分享堂這個平臺 跟大家介紹最近比較熱門的一個領域,量子資訊 我叫呂文森,目前在IBM華盛研究院擔任專任研究員 進行超大量的晶片的設計與開發 同時我也是IBM Quantum QCK推廣小組的一員 用在業餘的時間來進行一些量子資訊的推廣 我今天的主題是當量子資訊來到身邊 這個主題我想可能分成兩個階段來介紹會是比較合適的 首先我會先提一下量子資訊的定義 然後我也說明我所謂的來到身邊是什麼樣的概念 就像幾年前好像什麼都還是那一種 最近好像什麼東西掛上量子聽起來就覺得賣的不錯 那我們這邊對於量子電腦其實是有一個很明確跟科學 但也相對保守的定義 就是說我們量子電腦是一種基於量子力學原理 對於計算單元進行一系列任意的算式或邏輯操作的方式 換句話說就是我們在硬體端建構的量子能源 必須允許管理工程師在這個位元的計算空間內 進行量子操作來自於演算法的開發 一般來說這個計算空間我們用這顆布魯克球面來代表 為了方便大家理解 我也把固定位元對應的1跟0用紅球和藍球來代表 大家可以看到1跟0對應到分別 就是這個布魯克球面上的藍極點和白極點 進一步來說 其實量子資訊就是在古典資訊的兩大基礎上 去用量子力學的特性進行擴充 這兩大基礎是什麼呢? 第一個就是二進制 第二個就是以邏輯差為基底的通用論算 在這基礎上我們用量子力學的特性來進行擴充 由於量子力學 應該說由於量子位元本身具有的量子特性 就允許我們能夠用很高的效率 來模擬一個自然界的量子系統 進行比方說細胞的開發 或者是針對蛋白質的摺疊進行一些模擬 這也是費曼在1980年代的時候 他所提出來的一個願景 直到最近幾年我們開始有些能力去做這樣的事情 此外量子力學裡面的疊加特性 也允許我們針對單一位元 能夠擁有更廣大的計算空間 去幫助我們從量個點 擴展到整個部落球面上的每一個位置 我們都可以拿來做量子計算 此外量子糾纏 也允許我們在位元和位元之間 能夠有相關聯的相位干涉 這都提供了我們在量子資訊 相對於固點資訊來說 很大程度的差異和擴充 從剛剛我們可以很大程度的瞭解 基本上我們是針對一個位元 來進行額外的擴充 接下來我們就來仔細看一下 位元的比例在我們量子力學 在我們量子電腦裡面是什麼樣的一個比例 那位元0的部分其實就剛剛說的 我們其實是對應到的是 計算空間裡面的每幾點的位置 在實際的量子硬體裡面 通常是指一個量子系統的基態 就是二元系統中的能量交集的狀態 那位元1則是我們對應的 量子系統的能量較高的狀態 我們叫第一基發態 這個在固點的狀態下 我們固點的類比其實都還蠻容易理解的 就是這個球面上的兩個狀態 但是我想下一個直接的問題就是 那球面上這些其他點的狀態 我們說可以拿來運算 那我們要怎麼樣 有沒有辦法用固點的方式來理解呢 我覺得一個比較遺憾的是 我覺得應該是不行 就是這個球面上的其他點 我們在量子力學上 不稱為他是屬於基態跟第一基發態的疊加 在固點位元裡面本來就是完全沒有定義的 所以我們其實不需要強求 一定要用固點的方式去理解 但是因為這個有點像我們問一個 活在二維平面的生物說 球是什麼概念一樣 他找不到定義完全是很正常的 但是一個可以幫助理解 雖然不是很完全精確的描述 是說這個疊加態 我們可以把它暫時想像成 就機率上來說 他其實是一枚旋轉狀的硬幣 那處在上半球的疊加態 有比較高的機率在量測之後 會得到位元為零的結果 那處在下半球的這些疊加態 有比較高的機率在量測之後 得到一的結果 那當你越靠近極點 那這個分佈就越極端 然後極點的時候是兩到零或一 那在赤道面上的機率是一半一半 那因為剛剛的這樣的描述 其實純粹就是機率上的 他對於相位來說並沒有進一步的解釋 所以他只是一個非常近似的說法 那我們有了這些計算空間上的定義之後 我們還需要能夠在這個計算空間裡面 進行量子臺跟量子臺之間的映射 那簡單說就是我們要允許 我們的量子邏輯運算 這邊我列舉了兩個常見的映射方式 包括古典會員中也存在的 這個非的邏輯 就是把零變成一,一翻成零 那在我們量子會員裡面 我們就是說 我先把這個處在北極點的翻到南極 南極的再翻回北極 這就是一個not operation 非的邏輯 這就是X operation 因為我們在量子電腦裡面 我們這邊的定義 一種定義方式是 沿著X軸轉180度 這是我們叫X gate的原因 那另外呢 一個例子呢 則是我們的Hadamard gate 那Hadamard gate就是我們量子特性 量子專有的一個邏輯閘 它做的事情呢 就是把這個零或一 映射到位於X軸上的疊加臺 那這邊我用的這個視覺化工具呢 是取自網路上這個亞洪醫師他們製作的 我個人覺得非常的簡潔明瞭 所以推薦給大家 那剛剛講了這麼多定義 一來可能大家還是沒什麼感覺 二來可能有些朋友已經無預稅了 那不如我們現在就來玩個小遊戲 那我常聽人家說 這個量子電腦的機率性 就是選公平的直閃 那我說 那我們拿量子電腦來賭博 應該就不會出老千了吧 那現在來看看這個例子 那在這個遊戲裡面呢 雙家各位是玩家 那這個遊戲的三個回合 要依序以雙家、玩家、雙家的順序來進行 那各位扮演的是玩家 那每個角色呢 我們都能決定 我們各自輪到我們回合的時候 我們能決定說 要把硬幣翻面還是維持原樣 那開始前呢 我們雙方都在紙上寫下 我們各自的決定 一開始硬幣初始化是正面 那我們接下來就依據紙上的決定 開始來翻硬幣 那三回合結算的時候 如果硬幣成功的翻到反面 那就是玩家獲勝 就是大家獲勝 那如果是在正面 就是我贏了 就是雙家的勝出 那我們常常說 請便入甕總是要給點甜頭 那我今天跟你賭十塊 有什麼我賭 所以我們先為雙家開出一條bonus 就是我們已經知道雙家第一輪跟第三輪的決定是一模一樣的 就是說假設我今天第一輪決定要翻 我第三輪也就會跟著翻 那我假設第一輪不翻 第三輪就不會翻 那身為玩家的各位要怎麼取勝 勝率又是多少 那這邊大家可以暫停一下 那我就接著講下去了 所以呢 如果大家簡單的想一下 應該是蠻直接的 這個玩家只要翻就一定會獲勝 是百分之百的獲勝 不管雙家決定要翻還不翻 原因很簡單 因為我第一輪跟第三輪的決定是一樣的 那我們就知道硬幣的翻轉 基本上就是隻要翻個兩次 它就會 只要翻個兩次 它就會換一個 就會跑一個一樣 所以我第一輪跟第三輪的動作 只要是一樣的 它其實影響很小 不管是什麼都不做 或者是要翻 其實玩家只要在第二回閤中決定要翻 那就是可以把原來在正面的硬幣 在第三回合的時候 出現反面 對吧 OK 那當然 我們不會做虧本生意 所以 我現在再跟玩家 再跟大家 第二局 要加了一條 量子持續玩的規則 這個規則呢 說明的是 雙家的動作呢 額外的 我們可以把硬幣 擁有一個選項 把硬幣放在底下 它有這個選項 那這時候 大家想問問大家 這時候 身為玩家 要怎麼取勝 勝率又是如何的 大家要注意的事情是 這時候 雙家 我第一輪跟第三輪的決定 一樣 這個功能還是在 也就是說 我有三個選項 可以翻面 不翻面 或者是把硬幣放在底下 但是我一三回合都要做一樣的動作 那玩家呢 一樣維持兩個選項 就是翻面或不翻面 那同時我這邊也放了 剛剛的視覺化工具 去說明我們翻轉硬幣的定義是什麼 以及把硬幣放在底下 它的定義是什麼 這個 大家可以稍微想一下 那一樣我就先接著往下走 OK 那對於剛接觸量子資訊的 我的朋友 可能對於接下來的結論會感到很意外 因為這結論就是 在我新增的這條 看起來好像無關緊要的這個規則 其實 新增了之後 玩家是反而從B勝變成B敗 那原因是什麼呢 原因其實就是 他就是在玩一個 遊戲規則而已 原因是因為 裝家在第一回合只要 進行了Hadamard Operation 把這個 儲在正面的硬幣 或是正地方向的這個向量 轉到了正X軸方向 那由於我們在定義 硬幣的翻轉的時候 是沿著X軸旋轉一個瓦斯 所以呢 只要我能夠把一個向量 轉到沿著X軸方向 那這時候 玩家在第二回合執行 任何對X軸 以X軸為軸心的旋轉 都不會對這個向量 產生任何可以量測到的效果 那第三回合 也就是說在第三回合的時候 不論如何 這個狀態還是維持在正X軸方向 那這時候玩家只要 只要在執行Hadamard Operation 就可以把硬幣回到正面 也就是說 在第二回合的時候 玩家不論執行任何動作 最後硬幣都會維持在正面 第三回合的時候 硬幣都維持在正面 所以我們今天加進一條 看似無關緊要的量詞區相關的規則 玩家的勝率 從必勝變成了必敗 這個簡單的小遊戲 其實很明確提供了一個 我們發展兩個電腦的動機 也就是隨著計算空間 從兩個點擴展到這個球面 不只是這個空間大幅增加 這些相位有關的運算 只要經過適當的設計 就如同這個遊戲所呈現的 是可以給予一個很明確 但是又出人意料的結果 也就是說 如果我們可以知道 怎麼使用量子電腦 那我們在計算能力的提升上面 可能是可以非常可觀的 那所以希望看到這邊 大家對於量子資訊 或至少是量子會員 我們已經有一些基本的認識 那我們現在就來看看 我想說的來到身邊是什麼意思 那我個人一直覺得 自己生活在這個年代是非常幸運的 因為隨著雲端跟無線網路的推進 很多以往我們在小型裝置無法取得的 運算資源都變得可能 比方說從佔地兩個網球場 耗能1500個MW的 IBM的Summit電腦 那我們IBM Quantum提供了 處於設施零下273度的 量子運算的元件 透過雲端服務 我們都可以在我們 使用者的筆電螢幕上面 實際的汲取 這些實驗室才能使用到的 硬體運算的資源 接下來讓我們逐步來看一看 當代的超小量子電腦的運作方式 當今天有一個使用者 透過我們雲端介面 發送QSK程式碼 或者說是量子運算的指令 經過編譯之後 這些指令會進到我們美國這端的機房 進到機房給微波控制元件 讓他發送對應的電磁埋蟲 進到西式智能機 跟這個10mQ的超小量子晶片 上面的量子配額互動之後 再用電磁波的形式回到控制端 我們可以來進行訊號的解讀 最後再透過雲端回傳結果 到我們使用者的螢幕上面 那初步來說呢 我們把剛剛提到的 使用者螢幕後面這一系列的步驟 包裝成一個header紙 那其實跟各位十幾分鐘前 點擊這段影片 到現在發生的事情 沒有太大的差別 只是我們的硬體 從半導體晶片跟伺服器 變成了超小晶片跟微波元件 那平臺可能從youtube.com 變成了quantum-computing.ibm.com 然後指令呢 從發送主線的電子 變成一系列目前看起來 還相當原始的量子運算的指令 而這個黑盒子裡面發生的事情呢 只是我們IBM Quantum的全體同仁 以及當今世界上很多地方的 科學家跟工程師 每天在進行的研發工作 包括微波控制電路 稀釋智能器 還有先進的光光技術 跟低潛質雲端的軟硬體的一些架構 那講到這裡 我想要強調一下 我們這個年代呢 其實發展量子電腦的主要目標 並不是為了要取代當代電腦 雖然剛剛說ATX好像很像 但是我們的目標 並不是為了要取代 當代的無線電腦 而是為了我們要借重 我們量子電腦的特性 去解決當前我們計算機遇到的難題 那同時隨著這個 新的量子電腦的開發呢 也期望在更多的領域 來取得突破 比方說我們現在已經有了突破 比方說直線性關節 偵測取樣 量子模擬 跟最佳化的搜尋等等 那關於這個聽到 發展新興科技 我們最常聽到的一些反應 通常是說 有必要嗎 或者這個不是現在 什麼什麼什麼就做到了嗎 為什麼還要去發展 然後等著要找什麼突破呢 那關於這類的反應 其實我覺得 比如剛纔在20年 上TOKYO SHOW的專輯 其實就已經遇到了 我一直覺得這段影片 跟這個年代 我們等網際網路成熟之後 來看 來做一個對比 其實有很好的回應 那這個我就接住 科技的方面 就先接著講下去 大家有興趣一樣 可以先暫停 看完之後再回來 第一個 我這邊想要表達的 其實就是我們今天 發展這套新的技術 最好的結果 往往不是取代現有的技術 而是發揮我們的創意 跟其他技術去結長補短 來製造新的就業機會 或者製造新的市場需求 所以我們期待 量子資訊跟量子議題 在未來能夠進一步的 來擴充 我們現有的這個技術藍圖 造福全人類 接下來一點時間 我想很快的在幾段影片連結 我會放在瀏覽單的留言區 讓各位瞭解一下 IBM Quantum當前的發展 第一段影片 是我們IBM Research的資深副總 Daryl Gill 在我們年度的量子訪問上面 的一些介紹 說明瞭一些我們里程碑上的進展 此外 我們去年也分別賣出了兩套 超導量子電腦 到日本跟德國 提供他們進行量子軟硬體新創的 相關研發工作 那這邊是新聞稿 跟他們的宣傳連結 有興趣的朋友可以點擊參考 再來我想很快的帶一下 一部我在量子資訊 推廣教育的時候 蠻有意思的一個經驗 在某次的課程當中 我請三十幾位高一的同學 上到我們雲端 建立圖中顯示的量子電路 請他們來回報一個結果 經過不到半小時的解說 我們可以看到 回報的結果 雖然都是很簡單的電路 但絕大部分都能正確的執行 而且也相當穩的量子力學預期 一個我想特別提的點是 我在後面安排了這三個 Hardmarket、Instagram的電路 目的其實是要大家體驗一下 我們這個年代 透過雲端 其實是可以一起合力驗證 這種機率性的實驗 畢竟一個人做三十次一樣的電路 我一次請三十個人做 然後統計結果 也可以是一種驗證的方式 我們也可以看到學員 對這樣的呈現方式 感到影響蠻深刻的 OK 最後除了這些個人的 推廣工作之外 我們IBM Quantum其實也是 很有系統性的 在這個次世代的科技上 進行人才的培育 跟科普還有推廣 比方說我們有很完善的 使用者文檔 跟對應的翻譯工作 我們提供數位獎章 實習的機會 跟免費的書籍學校 我們跟臺大也有一些合作計畫 提供線上的自學資源 給大家參考 另外一方面 除了量子教育之外 可能另外一個比較少人知道的是 我們也是有一些同仁或愛好者 在經營所謂量子藝術生產的工作 基本上因為量子會員 還是基於古典會員的擴充 所以我們可以依循 古典現有的表示方式 比方說把位置的座標 把聲調 把色階 離散化之後 用01001去表示 不只是我們用量子臺 直接去生成一些資訊 然後來做一些藝術上的呈現 比方說我們可以做視覺渲染 我們也可以做一些音效的生成 或者直接拿來做量子遊戲 在使用者的輸入端這邊 跟使用者做一個互動 底下這段小星星呢 就是我們這個同仁 Java Expert 他寫了一套混音器 到我們量子電腦的後端 去擷取量子臺的資訊 然後回傳回來 製造出一個混音的效果 雖然說老實說 我聽不出來有太大的差別 但畢竟我們是工程師嘛 還是需要藝術家來幫我們 資料交流一下 OK 基本上我覺得就是 It's just cool So why not? 好 那在影片的最後呢 我想要引述一位 我很喜歡的程式設計師的話 他叫John Carmack 也是當年3D遊戲先驅 毀滅戰士的首席設計師 他同時也是開放原始碼的時候 主要的一個提倡者 他曾經說過呢 在這個時事爆發的年代 對一般人來說 所謂的一個學習門檻 都是不存在的 不該說 所有的學習門檻 都是我們的自我侷限 自我設限 如果今天想要開始 轉型鑽探哪一個新idea 我其實不需要大筆的資金 我們需要的反而是 確保我冰箱裡面 能夠有零食跟飲料 一臺廉價的電腦 然後呢 我們用我們的熱情跟耐心 不論是需要睡在地板上 還是發散廁所 我們去走完一個全程 那這也是我個人 理想的一個學習的模式 就是說 未來希望我們所有的使用者 都能夠不受限的自主學習 那也是開放原始碼的 我們這個Qiskit社群 的一個主要願景 就是我們希望 在各個層面上 去降低個人使用者 來學習量子資訊的一個門檻 以及做到我們 開源、免費、線上 甚至寓教於人的方式 把這量子資訊 推廣到大家的身邊 那也歡迎大家 使用我們IBMQ的雲端 來體驗一下 這個量子電路跟熱情運算 給我們一些回饋 也讓我們做得更好 那最後呢 也非常歡迎 有興趣的朋友 加我的link 在底下留言區 留下你寶貴的建議 可以告訴我 影片中有哪些不清楚的部分 我希望未來 看到哪些更多的內容 我都會找時間 真的回覆 甚至是另外製作影片 OK 那就這樣囉 Till next time Bye