量子運算是近來產業界極為熱門的議題，預期未來在資安、金融、運輸及國防等應用都將帶來革命性的影響。英國新創公司Riverlane致力於為所有量子電腦建構通用的操作系統，並在2019年6月完成325萬英鎊種子基金，之後更吸引了包括劍橋大學、劍橋創新資本（Cambridge Innovation Capital）的2000萬美元A輪融資，以支持其Deltaflow量子作業系統成為全球標準。

Steve Brierley是 Riverlane 創始人兼CEO，他擁有數學博士學位，堅信量子電腦將能加速人類的進步。Brierley 在量子領域耕耘20年，曾於劍橋大學和其他機構擔任研究員，也是英國政府的專家顧問。鴻海研究院邀請他於2021年12月12日舉辦的「NExT Forum」中分享對目前量子電腦發展的觀察與未來期望。

創造產品的工具正在換新 ：從實際實驗到模擬計算

Brierley表示，實驗與試誤向來被認為是創造產品的最好⽅法，例如萊特兄弟透過實際實驗⽽創造⾶機；但是，當前有許多產品是透過模擬計算⽽⽣，如當代的⾶機設計是透過模擬而成。也就是說，⼈類需要描述現象的模型或⽅程式和夠強的計算能⼒來創造產品，如果想設計出新世代的⾶機，則需要透過流體動⼒學和超級電腦的協助。又或者在醫療、製藥、奈⽶材料、電池製造等產業，需要微觀尺度模擬模型並需要考慮量子效應，模擬計算就能提供新的方法。

雖然量⼦⼒學為我們描述了微觀世界，但是古典電腦並沒有足夠能⼒可以進⾏這些複雜的模擬計算。科學家費曼在1980年代曾提到，想要有效率的模擬⾃然量⼦現象，就必須使⽤量⼦電腦。例如化學的元素週期，原則上只需要計算狄拉克⽅程式，幾乎就不存在未解之謎，但因為⽅程式太過複雜而難以獲得精確解答，而簡化量⼦⼒學模型可能就無法成功描繪其中幽微精妙之處。

透過量子電腦的協助，能幫助科學家充分模擬量⼦系統，將許多產業的產品設計方法從「實驗創造產品」轉為「設計模擬產品」。Brierley 認為，量⼦電腦的潛⼒就是，協助這些本質上必須考慮量⼦效應的產品。

量⼦作業系統

量⼦電腦在過去20年已經獲得極⼤進展，Brierley以「令人振奮的量⼦計算中的摩爾定律」形容。他指出，量⼦計算的兩⼤硬體架構：離⼦阱和超導體晶⽚的邏輯閘錯誤率都會隨時間指數而下降，不過我們擁有的量⼦電腦和理想中的量⼦電腦仍有巨⼤落差。

他進一步解釋，現在尖端科技的量⼦邏輯閘準確度是99.9%，而可糾錯量⼦電腦需要99.9999%以上的操作準確度，為了釋放量⼦電腦的潛⼒，除了量⼦邏輯閘的錯誤率必須下降幾個數量級，其量⼦位元數也必須要上升幾個數量級。

量⼦電腦實驗除了需要量⼦位元，還需要操控和校正系統（如透過 FGPA），最後再由遠端的電腦控制，這個架構也被稱為量⼦計算的作業系統。其作業的步驟⾸先是「控制」，必須⽤數位和類⽐的⽅法準確控制量⼦位元；其次的挑戰是「校正」，讓⾄少上千個實驗參數可以被⾃動化校正；再下個層次就是做出⾼效能的古典核心（Kernal），讓實驗與資訊流可以被⾼速且有效率地編譯和執⾏。整個作業系統中，最重要也最困難的挑戰就是量⼦糾錯。雖然當前的「NISQ（嘈雜有噪⾳的中型量⼦念腦）」能產生些許應⽤，但唯有量⼦糾錯的量⼦電腦才能夠觸及許多⾼產值的應⽤，例如製藥。

量⼦糾錯與邏輯量⼦位元

由於量⼦資訊相當脆弱且不能被測量，因為測量這個動作會導致量子態塌陷而喪失資訊，加上無法透過複製產⽣冗余保存量子資訊的「不可複製定理」，所以在量子電腦早期發展的階段，許多人就已經注意到量⼦糾錯這個核⼼議題。

理論上，只要錯誤率夠低且互相獨立，就有辦法透過量⼦糾錯演算法，使物理量⼦位元組成能進⾏無限久的計算的邏輯量⼦位元。邏輯量⼦位元與量⼦糾錯演算法在2021年已進行初步實驗。

雖然實驗已有初步進展，但是量⼦糾錯的道路仍舊艱鉅，因為每個量⼦邏輯閘之間都需要⼤量量⼦糾錯測量來檢查是否有誤，因此古典控制系統在更新速度上的要求極高。此外，還需要考量如何協調⼀個⼤型的異構系統（如 RF 、FPGA、古典電腦等），讓複雜的古典系統有效執⾏系統控制；最後必須降低邏輯量⼦位元所需要的物理冗餘，降低這個數字對製作出有⽤的量⼦電腦極重要。

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