楊憲東2014成大航太所新課程---量子電腦:元件、運算與控制

量子電腦:元件、運算與控制

Chapter 1 量子電腦簡介

1.1 電子學與電腦發展的三部曲

電子學的發展從早期的微電子學(Micro-electronics)，歷經奈米電子學(Nano-electronics)，到21世紀興起的量子電子學(Quantum electronics)；而伴隨電子學的發展，電腦製造技術也從當初的微米製程，歷經奈米製程，到未來的量子製程。因應未來電子、電腦與資訊產業技術的再創新，本課程《奈微米系統量子論》所探討的奈微米系統，從2014年開始將以『量子電腦』為對象，以量子力學為學理工具，討論量子電腦的硬體元件、位元的運算、及位元的控制，這將牽涉到目前最夯、最先進的三個研究領域:(1)量子元件(quantum devices)，(2)量子計算(quantum computing)，(3)量子控制(quantum control)。以下整理出電子學及電腦發展的幾個重要里程碑:

l   1936年，英國數學家杜林（Alan Turing, 1912-1954）提出杜林機(又稱圖靈機)概念，它是一種現今稱為可程式化電腦的數學計算模型。杜林認為，杜林機可以模擬所有可計算的演算法，亦即任何可計算演算法若能被硬體系統完成，則此演算法必對應某一等價的杜林機演算法，這是世界上第一個將抽象的計算與實際物理系統相結合的理論，稱為邱奇—杜林論點。

l   邱奇—杜林論點出現後，馮紐曼（John Von Neumann, 1903-1957）接著提出如何以真實的硬體元件來建構計算機模型。

l   1946年美國賓州大學利用真空管實現全世界第一部電腦(數值計算機)，參考圖1.1。第二次世界大戰期間，美國軍方要求賓州大學的莫奇來（Mauchly）博士和他的學生愛克特（Eckert）設計以真空管取代繼電器，建立了第一部『電子化』電腦ENIAC，目的是用來計算砲彈彈道。這部機器使用了18800個真空管，長50英呎，寬30英呎，佔地1500平方英呎，重達30噸（大約是一間半的教室大）。它的計算速度約一秒鐘可以做300多個乘法運算。這部龐然大物所產生的熱量造成嚴重的冷卻問題，同時消耗大量電力。

l   1947年，貝爾實驗室的科學家J. Bardeen (巴丁)、H. W. Brattain和W. Shockley共同發展出電晶體，這項發明使電腦的體積更小，重量更輕，省電，故障率降低，計算能力更快。由貝爾實驗室製造的第二代電腦TX-0，便是用了800個電晶體所製造出來的。由於體積大幅縮小，重量輕，使得電腦的應用範圍由軍事用途擴大到政府機關行政用途。

l   1948年，夏農（Claude Shannon, 1916-2001）發表了兩篇奠定現代資訊與通訊理論的論文。文中他提出「位元（bit）」的觀念，以位元的編碼進行資訊的儲存與傳輸，從而發展出後來的高階程式語言，程式設計師只要將注意力集中在解決問題上，不再需要自己去應付硬體所有的細節，對資訊工業發展，有重要的影響。

l   1958年，諾思（Robert Noyce, 1927-1990）發明了積體電路(Integrated Circuit, IC)。1959年，德州儀器和Fairchild半導體公司共同推出商用積體電路。它由矽作成，是一種能傳導電流的晶體，一片比八分之一英吋還小的晶片上，包含了幾百個電子原件，構成一個完整的電子電路。一個一公分平方的晶片就可以存放相當於一份報紙的字數，而且計算速度幾乎快到以十億分之一秒為單位。其使用壽命可達三千三百萬個小時，耗用能源少，價格更為低廉。

l   1964年，美國IBM公司應用積體電路設計成功的IBM SYSTEM-360型電腦問世後(圖1.2)，開啟了第三代電腦的序幕。藉由積體元件的運用，使得電腦硬體製造技術更為精密與快速。高速運算促成電腦的實用化，而低成本的大量生產則造成電腦的普及化。

l   1975年，超大型積體電路(VLSI)研發成功，一片積體電路晶片可裝進上萬個電子元件，體積比第一代電腦小了數百倍，計算速度卻快了千倍以上。它促進了電子電路設計、通訊、計算機軟硬體，和輸入／輸出裝置的長遠進步。而由此種晶片製造的電腦，就是近代風行的個人電腦(PC, Personal Computer)。同樣是由超大型積體電路發展出來的微處理機，由於體積小、能力強大、價格低廉，更實際應用於家庭和商業上的電器產品，例如微波爐、冷氣機、音響、電視、洗衣機等等。此時電腦已是日常生活中不可或缺的一環。

l   從一九五八年至今，幾乎每隔兩年，電腦的速度就加快了一倍，因為每個晶片上集成的電晶體數目，在過去五十年中隨時間呈指數增長，這個經驗現象稱為摩爾定律。如這個定律所預測的，到目前為止，一個晶片上的電晶體數目早已超過了十億個。此時積體電路製程從微米領域進入了奈米領域(參考圖1.3)。電晶體元件在這種奈米尺度之下（約十奈米），量子穿隧效應變得逐漸重要而不可忽略。

l   依據摩爾定律所預測的趨勢，電晶體元件將不可避免地持續縮小到分子、原子的大小，此時電晶體不再是由電流(一群電子)所控制，而是由單一電子所控制。科技進入21世紀以後，單電子電晶體元件已被開發出來，它是利用單電子傳輸行為來載入或刪除資料。 雖然這類奈米級電腦在物理上受控於量子力學，但資料的處理仍建構在傳統的資訊理論上。同時奈米電腦的出現意味著傳統半導體製程技術已走到盡頭，現有的資料運算原理亦將無法再往前邁進。這個時候，量子計算與資訊理論的出現，提供了一個嶄新的方向。 

l   1985年英國物理學家大衛‧杜斯(David Deutsch)首次提出了量子計算機模型。在他的描繪中量子計算機的運行遵循複雜的量子力學原理通過控制原子或小分子的狀態來記錄和運算信息。傳統電腦採用0與1的二進制計算法控制，一個電晶體只能儲存一個位元的資訊；但在量子電腦裡，一個量子位元（qubit）可以同時表現0與1，因此若建立了兩個量子位元，就可以一次儲存00，01，10，11。疊加原理使得量子電腦可以同時執行許多次運算，而比傳統電腦強大很多。

l   2007年第一部量子電腦研發成功。量子電腦最困難之處在於量子位元的建立與維持，當讀取資訊的時候，會發生量子位元變成一個普通的位元的情況，這樣就不再是量子電腦了。D-Wave公司聲稱找到解決方案，並於2007年宣布研發出第一台16位元的量子電腦。而第一個客戶就是全球最大國防武器承包商洛克希德•馬丁公司（Lockheed Martin），該公司在2011年時購買了一台D-Wave的量子電腦，並將其設置在美國南加州大學的新量子計算機中心。

l   2013年D-Wave公司發表了最先進的512位元量子電腦D-Wave Two，Google隨即宣布購置此款電腦，而成為量子電腦的第二個客戶。Google將D-Wave Two安裝在NASA艾密斯研究中心的量子人工智能實驗室。Google認為量子電腦可根據已知的物理定律，進行自我學習，這或許能提供最富創意的問題解答過程，預期在語言翻譯、圖像搜索和語音命令識別的功能上，取得革命性的進展。

        從1946年的第一部真空管電腦問世，到2013年量子電腦D-Wave Two的出現，這中間雖僅67年的時間，但電腦已歷經數代的改革(參見下圖)，而且革新的速度在每一個階段都超乎我們的想像，且將越來越快。以超大型積體電路為基礎的電腦科技已走到極致，目前正是投入研發新一代量子電腦的最佳時機。本課程的目的是要為有志於投入量子電腦研發的人員，建立必要的學理基礎，為未來的量子電腦產業預儲人才。

表1.1電腦所經歷的五代技術革新