通往量子的橋樑

郵局用它1秒搞定物流問題,成本還降7%
不用等!富士通的量子電腦夢 ,先從「退火技術」開始

採訪.撰文/陳君毅 圖片提供/富士通

量子運算(Quantum Computing)是下一世代最重要的技術,強大的運算力有機會推動人工智慧大躍進,甚至讓科技奇點(Technological Singularity,科技發展到一定程度時,在很短的時間內可能會有極大而接近無限的進步)提前到來。

到那個時候,舊有的社會模式會被遺棄,新的科技規則將主宰世界。也因此全球科技巨擘都希望能先卡好位置,占據未來的領導地位,包括Google、IBM、微軟都投入鉅額資本於量子技術。

日本最大的IT服務商富士通(Fujitsu),也認可量子技術的未來性。不過,與其投入資金在設備昂貴、尚未落地、未商用化的量子電腦上,他們務實地先朝「類量子運算」前進,開發出模擬量子運算的數位退火(digital annealing)技術晶片與伺服器,以商用、馬上能用為前提,替企業提前為未來做好準備。

何謂退火,又能解決什麼問題?

富士通的數位退火標明是「受到量子啟發」的技術。而量子退火是透過量子漲落的特性,擁有能在多組候選解答中找到解答的能力。

舉個例子來說,如果想知道一片山谷中最低點的位置,可以請一名測量員地毯式搜查,花上大把時間踏遍所有位置獲得解答。而退火技術則像是空投一名會分身的測量員,隨機出現在山谷中的所有位置,各自回報後,找出真正的最低點。

退火技術最適合用來解決組合最佳化(combinatorial optimization)問題,如旅行業務員、裝箱問題,不過,為何需要透過量子運算,用普通的電腦不行嗎?

以經典的組合最佳化問題「旅行業務員」來說,在地圖上有5座城市,如果業務員要找出造訪每座城市,且最終須回到原點的路線,總共有120種可能──這種程度傳統電腦還能以「暴力」的方式找出所有答案後選出解答,但當城市的數量達到30座,可能性將高達2.65×10的32次方(算法為30!=30×29×28....×3×2×1)時,傳統電腦需要花上8億年才能算出所有的答案,但透過富士通的數位退火技術,一秒內就能獲得解答。

富士通投資數位退火技術,最主要仍是因為量子電腦的不確定性。富士通AI事業總部日本區負責人後藤正智也在富士通論壇上提到:「不太確定量子電腦在兩、三年內是否能夠成真。」因為量子電腦仍有例如:建置低溫環境的成本、真實應用的場景、商用化的考量等許多障礙待克服。

西敏寺銀行、福斯汽車都是客戶

因此富士通選擇投入能夠在真實世界派上用場,且具商業價值的數位退火技術。他們在2018年推出了數位退火晶片DAU(Digital Annealing Unit),2019年更推出了伺服器,採用租賃並提供技術支援的方式向企業主收費。且富士通的數位退火技術目前已在製藥、醫學、運輸、金融與製造業等領域驗證可行,如西敏寺銀行、福斯汽車都是其客戶。

舉更實際的案例來說,日本岩槻區的郵局就應用數位退火技術,解決郵件物流的複雜問題。由於郵局貨車遞送郵件時需要考量的因素相當多,包含運送成本、郵務員工時、包裹種類與重量等,再加上運送路徑,可能性組合無限多,用傳統電腦幾乎不可能找出最佳路徑。但在導入數位退火技術數個月後,郵局運送車數量從52輛減低至48輛,整體的成本估計減少了7%。更大的關鍵是計算時間,透過數位退火技術只需1秒就能獲得解答。
不過,富士通數位退火展示區的解說員也提到,透過數位退火計算方式得到的答案,並不能確定是「最佳解」,需要不斷重新計算,相互對比找尋最合適的路徑和運送方式。

也因為有許多案例與客戶,富士通資深全球產品行銷經理曼朱‧安妮‧歐烏曼(Manju Annie Oommen)才說,數位退火技術能夠解決問題,「而且能讓企業先為量子電腦的時代做好準備。」或者更簡單的來說,數位退火技術,是通往量子運算的橋樑,也是富士通在面對量子技術來臨前所選擇的策略。

退火技術如何解決問題?

受到量子電腦技術的啟發,富士通透過模擬量子退火的計算方式,推出使用數位退火技術的晶片DAU與伺服器產品,在多組候選答案中快速找到解答。

傳統方式

以拼圖為例,要找出最佳解答,傳統方式是一步步放進拼圖,一旦失敗了就要從頭開始,而且不知道要花多久時間才能成功。

退火方式

退火方式是在極短的時間內搖晃所有拼圖,讓它們拼出極大量的候選答案,優勢是時間短、有機會獲得最佳解;缺點是獲得的是「相對」最佳解。


量子漲落
在量子力學中,量子漲落(quantum fluctuation)允許在「完全空無一物」的空間中出現少許能量,且該能量在極短的時間內會消失。

圖文摘自:數位時代 Issue 303