2018年1月29日

量子電腦—量子科技時代的來臨

張為民/現任國立成功大學物理系特聘教授。研究專長為量子電腦、量子場論、凝態物理、量子光學到量子非平衡統計的各種物理問題。



相對於人工智能,自從AlphaGo 打敗一大群世界圍棋冠軍無敵手,而AlphaGo Zero 又通過自主學習輕鬆打敗AlphaGo,你即使不太懂人工智能的工作機制,似乎也可以似懂非懂地講講人工智能的偉大遠景。然而,對於量子電腦,雖然時不時看到量子電腦的最新進展報導,特別是Google 與IBM 兩大科技公司在量子電腦研發上的白熱化競爭,使人們對量子電腦充滿了好奇,但如果你對「量子」了解不夠深入的話,大概無法給量子電腦說出個所以然。

而事實上,對於人工智能,它的基礎研究還處在非常初級的階段,像神經網路與機器深度學習,電腦視覺與自然語言處理等技術發展遠超越相應的科學理論發展。相反地,量子電腦是以20 世紀初建立起來的量子物理為其科學基礎。描述微觀世界(原子尺度)的量子物理及描述高速運動(接近光速)的相對論是過去一個世紀物理科學發展的基石,但量子理論至今仍然是人類對大自然現象所知道的最神奇又最詭異的科學理論。

量子是什麼?
量子不是原子、分子等構成我們自然界各種物質那樣的粒子,但它卻是揭開自然界所有已知基本粒子之神秘面紗的天使。量子物理詭異的觀測隨機性,讓提出量子概念的先驅者之一愛因斯坦為之大動肝火:「上帝不擲骰子」;也讓量子學說的創立者、奧地利物理學家薛丁格(Erwin Schrödinger)曾對別人說:「我為對於量子力學的研究感到抱歉。」


薛丁格。(Wikipedia)

其實,量子是一種概念,而不是一種東西,量子力學是描述自然界物質狀態的一個方式。自然界一切物體的運動分為粒子運動(如地球繞太陽的轉動)及波動(如傳遞訊息的電磁波)。量子物理告訴我們,一切物體及各種運動都同時具有粒子與波動二種特性,而當物體很大時,波動的特性不容易觀察到,因此人們用牛頓力學來描述粒子的運動。但當考慮的對象很微小時,像物體中單顆電子的運動,電子的波動是它的主要特性。這樣,束縛在物體內的電子,它的動量及能量會被量子化。薛丁格因此提出了描述物質的波動方程,建立了量子力學。

正是這樣的量子物理告訴我們,物質除導電與不導電外。還有「半導電(半導體)」,從而產生了半導體工業革命,改變了人類文明的生活模式。也正是愛因斯坦,用量子的概念發現光電效應,人們由此開發的光電商品,從搖控器、數位相機、雷射到太陽能電池等。而奇妙的量子穿隧效應使人們發展出掃描穿隧顯微鏡(STM)及原子力顯微鏡(AFM),探物質表面的原子結構,開創奈米尺度的科技時代。更神奇的是薛丁格從原子及分子的觀念思考生命的起源:What is life,啟發了華生(James Dewey Watson)和克里克(Francis Crick)發現DNA 結構,為生命遺傳機制打開了探索之門。

然而,近代科技的發展只用到量子的一些非常普通的物理性質,即量子能級、光電效應、量子穿隧效應等。這些物理性質大部分的中學生可能從近代物理中已學到。目前正在開發的量子電腦及量子通訊將利用量子世界中最神奇也是最怪異的物理性質,即量子疊加原理(quantum superposition)及量子糾纏特性(quantum entanglement),前者導致了物質波的概率描述,後者產生了遠距的瞬間量子關聯。

量子世界的本質
事實上,量子疊加原理產生量子相干性才是量子世界的本質。物質材料是由各種元素(原子)構成的,在原子尺度上,物質顯示波動的特性。因此原子或電子的不同狀態是各種不同的波及其疊加的空間分布,可呈現波的相干性。但當人們量測電子的狀態時,又只看到整顆電子在某一確定的位置,而不是波的分布形態及干擾現象,並且每次量測電子位置的結果都會不一樣(量子測不準關係),所以物質波是概率波,與我們所熟知的電磁波(含大量光子)、水波等現象不同。薛丁格曾用貓設計一個描述量子疊加態及概率的實驗:將一隻貓關在一個封閉無窗的盒子里,盒子里有放射性物質及一瓶毒氣,如果放射性物質發生衰變,會觸動機關打破毒氣瓶,則貓被毒死;如衰變沒發生,則貓可活下來。常識告訴我們這隻貓不是死了就是活著,量子疊加原理告訴我們這隻貓是又死又活,生死疊加。瓦恩蘭(David Wineland)和阿羅什(Serge Haroche)(兩位為2012年諾貝爾物理學獎得主)實驗上證明「這只薛丁格貓可以不活又不死」,此現象戲弄了物理學家及哲學家近一個世紀,這是量子物理較為怪異的現象之一。

另一更怪異的量子現象就是量子糾纏。量子糾纏,又被愛因斯坦稱為「鬼魅似遠距作用(Spooky action at a distance)」的怪現象:兩個處於量子糾纏的原子或電子,不管它們分開多遠,例如處在兩個不同的星球上,當人們量測其中一個原子的量子狀態時,處在另一星球上的原子的狀態會瞬時跟著改變。量子糾纏這種超距的神奇現象已在實驗上被證實,並且已在實驗室中不斷被製備,成為實現量子通訊及量子電腦最關鍵的要素。

利用量子疊加及糾纏設計電腦
那為什麼要以量子相干性及量子糾纏去設計新的電腦原理呢?......【更多內容請閱讀科學月刊第578期】

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