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量子運算將成 AI 之後的 Big Thing,
先解決網安問題成為關鍵前提

2023, JUN. 20

TechNews 科技新報
新聞來源:

量子運算的最終效益就是解決當前經典電腦所無法解決的複雜問題,亦即實現「量子霸權」(Quantum Supremacy)的目標。這使得它隱然成為當前火熱 AI 熱潮之後另一個令人期待的大事(big thing)。儘管每個人都看到了量子市場即將到來的必然趨勢,但卻沒人確定它會在什麼時候,以什麼方式成為 big thing。

另一個可以確定的,莫過於網路安全威脅,因為強大的量子電腦最終能輕鬆破解當前主流的資料加密技術。當前許多國家的情報機構莫不想盡一切辦法掌握這樣的優勢,不久未來他們將可能構成更大的網路安全威脅。


量子運算將推動 AI 發展


量子運算已被炒作了幾十年,但就在各種支援生成式 AI 的應用大行其道之際,量子運算的殺手級應用到底為何仍不清楚。但可以確定的是,研究人員莫不希望量子運算能夠成為推動 AI 或機器學習的強大助力。今年 4 月,莫德納(Moderna)宣布將與 IBM 合作,利用後者量子電腦和生成式 AI 技術來推進 mRNA 疫苗的研發與接種。


事實上,量子電腦在許多問題的解決上不見得比經典電腦好,所以目前業界傾向量子電腦與傳統基於電子的超級電腦能夠以共存的模式齊頭並進。量子電腦會偏向解決像是氣候變遷建模等最緊迫的問題。


量子運算市場的下一個里程碑:量子優勢/霸權


根據實例,量子電腦可以解決經典電腦所無法解決的複雜數學問題,但這些問題是為了展現量子電腦能力而特別加以合成設計的。量子電腦也因此在若干領域以上述類似方式實現了所謂的量子霸權,但卻不是以一種能引發客戶商業興趣的方式實現的。


AWS Bracket 量子雲端服務總經理 Richard Moulds 表示,量子產業的下一個里程碑被稱之為量子優勢,也就是量子電腦能以比經典電腦更快、更便宜且更低功耗等優勢來解決具有商業利益問題的時候。儘管沒人確定量子電腦何時能穩居商業優勢地位,但有可能接下來三、四年(最久不超過 10 年)裡,在該電腦強大到足以破解公共金鑰基礎架構(PKI)之前就能實現。


在超級電腦上運行量子軟體成趨勢


市調公司 Gartner 預測,到了 2025 年,排名前 50% 的汽車製造商、銀行及製藥公司將積極參與受量子啟發的各項計畫。NvIdia 量子運算軟體資深產品經理 Sam Stanwyck 表示,該公司支援的許多研究莫不都在搞清楚量子電腦首先將在哪些領域發揮助益。雖然該公司在任何涉及模擬化或生物的應用中看到運用量子運算最積極活躍的狀況,但沒人能清楚地指出量子電腦的第一個殺手應用會是什麼。


Nvidia 在 3 月舉行的 GTC 開發人員大會上指出,該公司正在與研究人員合作開發用於量子運算模擬的程式設計軟體,而且策略上會在當今超級電腦上運行專為量子電腦設計的原型軟體。對此,Nvidia 便與以色列新創公司 Quantum Machines 合作,在 AI 晶片構建的超級電腦上運行用於量子物理學的演算法。事實上,一些量子運算新創公司也採取了類似的做法,亦即在超級電腦上測試量子軟體。


▲ Quantum Machine 新創公司的從室溫到低溫之 Quatum 控制與電子設備解決方案。(Source:Quantum Machine)


運用量子運算的新國家級網安攻擊,「先儲存再破解」成為量子攻擊經典手法:


當前關於量子電腦最令人擔憂的負面應用與影響,莫過於一些國家正在大力投資建造量子電腦,並且透過秀爾演算法( Shor’s algorithm),將量子電腦專門設計成破解 RSA 公鑰密碼學的利器。雖然目前量子電腦還沒有強力到足以破解 RSA 的地步,但根據 Gartner 一項研究指出,到了 2029 年,隨著量子運算的持續推展,傳統非對稱加密技術將會變得不安全。


▲ 秀爾演算法提出者 Peter Shor 教授。(Source:YouTube)


據了解,當前已有許多不法分子(尤其是某些國家的情報機構)開始獲取並儲存被加密保護的敏感性資料,等到未來量子電腦強大到足以破解 RSA 加密機制之後,便能將這些預先儲存的資料進行破解。當前網路安全分析師將這稱威脅稱之為「先儲存再破解」(Store Now, Decrypt Later)。


美國聯手科技巨頭推動 PQC 專案


2016 年,美國國家標準技術研究院(NIST)開始研究開發新的抗量子演算法(Quantum-Resistant Algorithms),並預計 2024 年發布所謂的「後量子密碼學」(Post-Quantum Cryptography,PQC)標準。包括 IBM、AWS、微軟、思科、戴爾、Vmwaren 與 SandboxAQ,以及 Cryptosense 和 Crto4A Technologies 兩家新創皆參與了 PQC 專案。


▲ NIST 後量子密碼學專案主頁。(Source:NIST)


隨著 PQC 標準正式發布後,網安公司可以根據該標準開發新產品,屆時美國企業也會被要求將各種軟體升級支援 PQC 加密。2019 年,Google 和 Cloudflare 合作測試 PQC 技術。今年 3 月,Cloudflare 開始向客戶免費提供 PQC 服務,以提升自家網站的網路安全。


量子電腦和機器學習出現協同效應,兼具經典與量子的混合運算成主流


2022 年 11 月,IBM 推出 433 量子位元的量子電腦,比 2021 年大 3 倍。該公司預計 2025 年目標上看 4000 量子位元。至於 Google 則預計 2029 年將打造 100 萬量子位元的量子電腦,並標榜能可靠運算且不出錯。


Gartner 分析師 Mark Horvath 預計,量子電腦和機器學習之間將出現良好的協同運作效應,但在大多數情況下,量子電腦在機器學習模型之訓練上的效能反而不及傳統超級電腦。所以目前會出現結合經典運算和量子運算的混合式運算。對此,企業不應將量子電腦視之為無所不能的超級電腦,而是更擅長優化的利器。


雲端巨頭紛紛推出量子運算即服務


如今,AI 在新創公司 OpenAI 的引領下,締造了全球為之瘋狂的生成式 AI 風潮。但反觀量子運算新創公司卻遲遲未產生出一個能創造顛覆性殺手級應用及世紀風潮的領導者。再者,雖然風投資金持續流向新創量子運算公司,怛包括 D-Wave、Rigetti、IonQ 及 Quantum Computing 等上市量子運算公司的業績卻持續表現不佳卻出現巨額虧損。


量子運算最初只會在政府研究實驗室和雲端運算資料中心出現,畢竟沒有多少公司能夠負擔得起動輒數百萬美元的量子電腦部署成本。有鑑於此,Horvath 預計,許多美國公司會嘗試透過雲端運算巨頭提供的量子運算即服務(quantum-as-a-service)作為使用該運算的切入點。


Horvath 進一步指出,每個雲端服務供應商(包括 IBM、Google 及微軟)不是都有量子運算合作夥伴,就是正在建立自己的合作夥伴。今年 5 月,IBM 宣布與芝加哥大學及東京大學建立新的合作夥伴關係,共同從事量子運算開發之研究。至於 Nvidia 則與德國尤利希超級運算中心(Julich Supercomputing Centre)及慕尼黑的 ParTec 公司合作,共同推動經典/量子混合運算實驗室專案(hybrid classical-quantum computing lab project),進而將經典超級電腦與量子加速器連接起來。


(首圖來源:Nvidia

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