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量子國家隊  

文.洪寶山

所謂量子電腦,是配備有先進處理能力的超級電腦。理論物理學家Richard Feynman於1981年在麻省理工學院首次提出其相關概念。傳統電腦主要依賴於二進位系統,基本計算單元是「位元(bit)」,而量子電腦中的基本電腦單元是「量子位元(qubits)」。通常一個「bit」只能表示「0」和「1」這兩種可能狀態中的其中一種,而一個「qubits」則可以同時表示兩個狀態。換句話說,n個「bit」只能表示2n個狀態中的一個,n個「qubits」卻能同時表示2n個狀態。

IBM今年推首款商用量子電腦

今年一月,IBM在CES展上推出了其首款商用量子電腦Q系統,主要使用二十個qubits。IBM期待Q系統未來能夠解決當前被認為過於複雜且難度呈指數級增加的問題,例如金融市場複雜的衍生性商品的定價模型。

目前,電腦若想對複雜衍生品進行定價,必須運行蒙特卡羅模擬,也就是通過隨機抽樣或統計試驗,對未來的市場走勢進行大量預測,以計算得出某一特定成果的概率。在IBM的早期研究中,高盛已經計算出,要運行完整的蒙特卡羅類比,需要一台擁有7500個qubits的量子電腦,然而,IBM當下最先進的量子電腦僅包含六十五個qubits。

用目前電腦進行計算,可能需要等待好幾個小時,相信沒有一個操作衍生性商品的客戶有這個耐心,但如今,量子技術或許也即將成為金融市場的助力,高盛與量子初創企業QC Ware的聯合研究,該研究主要目的在利用量子機器為複雜的衍生品定價,這是金融市場上計算強度最大的任務之一,對銀行本身而言也占了成本之中很重大的一部分,高盛估計量子計算可能在五年內應用於金融市場中一些最為複雜的計算場景。

比特幣可能因量子技術而崩盤

事實上,量子技術對於金融市場的影響還不只於此,比特幣或因量子技術而崩盤。量子計算為何對比特幣構成威脅?比特幣之所以稀缺珍貴是因為接收比特幣需要「比特幣地址」, 只有擁有該地址對應的「私鑰」才能使用比特幣。

每一個比特幣用戶在註冊的時候,系統都會生成一個隨機數,再對這個隨機數進行SHA-256(一種函數算法,把任意一個字符串輸入SHA-256函數,都會輸出一個256位的二進製數)再進行hash160,產生一個叫做私鑰的字符串,作為數字簽名,私鑰包含了大約五十個數字和大小寫字母,沒有固定的邏輯和規則。

由於SHA-256的正確值十分難計算,數量有限的比特幣才會變得極為稀缺和珍貴。私鑰與公鑰是成對產生的,世界上只會有一組,不會重複。「公鑰」是透過稱為「橢圓曲線加密」的演算法對「私鑰」進行加密後所產生的一組亂數。「橢圓曲線密碼學」的算法為不可逆,也就是說,沒辦法藉由「公鑰」推算出「私鑰」。

這點非常重要,可說整個加密貨幣密碼學的匿名和安全都是架構於這個基礎之上。如果私鑰遺失,那麼擁有者的比特幣就無法取出。但在1994年,數學家Peter Shor就公布了一種量子算法,該算法可以打破最常見的非對稱密碼算法的安全性假設。

這意味著擁有足夠大量子計算機的任何人,都可以使用此算法通過公鑰反算出私鑰,從而偽造任何數字簽名。這令比特幣變得不再稀缺,也不再安全。同時意味著比特幣的共識將產生崩塌,比特幣的價值也將趨零。

量子電腦+人工智慧+大數據

於是量子電腦被視為「下個世代的運算工具」,若再結合量子計算,其強大的平行運算能力將與人工智慧、大數據共同形塑未來智慧社會。當前美中兩強的科技競賽擴延到量子計算領域,2020年九月Google推出五十三個qubits量子電腦Sycamore,花了二百秒時間取樣一個量子電路實例一百萬次,一台超級電腦需要二萬年才能完成這項任務。

今年十二月四日中國科學技術大學宣布成功構建七十六個qubits量子電腦原型機「九章」,求解數學算法高斯玻色取樣只花二百秒,如果用目前世上最快的超級電腦要花六億年。

台南沙崙園區量子國家隊成軍

台灣在這場量子計算的競賽相對落後美中,量子電腦所需的技術,與台灣現有科技產業的晶片製程、周邊線材、封裝技術等強項符合,台灣中研院也已具備製作、控制及操作並讀取量子位元的技術,為把握發展量子科技的重要契機,科技部、經濟部及中研院自今年起共同籌組「量子國家隊」,未來五年將投入八十億元,計畫在台南沙崙科學園區設立中研院量子科研基地,進行量子科技研發、建置產業合作平台並培育人才。


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