第二次量子革命-科學人雜誌
物理學

第二次量子革命

2022-08-01 張慶瑞
我們必須使用量子計算,才能造福下一代的未來。
▲ 無煙硝之戰:2019年,IBM推出第一台商用量子電腦,是具有20個量子位元的IBM Q System One,可透過網路進行計算。(影像來源:Getty Images)

今天人類對量子知識的掌握遠勝於以往,不但用現有材料製作半導體元件,更能無中生有的創造出人工原子,製作量子電腦來造福世界。近期國際商業機器公司(IBM)把具有127個量子位元(qubit)的量子電腦連上了雲端,量子電腦與量子計算的黃金期也逐漸顯現,而量子物聯網將會提供更快速而安全的端點連結與邊緣運算。現在科技的各種缺點,未來量子科技都有機會改善。

量子對大多數人確實是難懂深奧的名詞。2019年Google展示量子優越性(quantum supremacy)後,量子這名詞便頻頻出現在各媒體上,逐漸成為現代人耳熟能詳的流行詞。因此,當量子技術開始融入日常生活時,也將引發巨大的文化和知識衝擊。量子計算元年(Y2Q)到底何時會來臨?還是像當年千禧蟲危機(Y2K)只是嚇唬人、騙取研究經費的伎倆?第二次量子革命真的會造就量子地球創世紀,讓我們的下一代變成Q世代的子民?各種不同的真假量子說法充斥,也讓量子科技在近年變得更困難理解。

量子是什麼?

量子是微觀世界的一種現象,因為中文翻譯時有個「子」,一般直覺理解是一個真正的物體或是粒子,但量子其實是指微觀世界中有最小單位的不連續現象。大眾對不連續變化的量子現象困惑的主要原因就是不熟悉。試想,當你去超級市場購物,結帳時會有一個最小單位:「元」。所有超級市場中的任何商品計價都以「元」為單位,都是不連續的數位變化,絕對不會出現有小數點的「元」,這就是在量子世界中不連續現象的最佳類比。古典世界中各種物理現象都是連續變化,例如溫度、身高、體重;古典與量子的差異性就好比無障礙斜坡與樓梯,斜坡為連續的,行人可以停留在過程中的任何高度。然而樓梯是「離散的」,能停留的高度只能是階梯的整數倍。

古典電腦在進行快速的數位序列運算後,得出一個確定結果的0或1的序列。電腦內的古典位元總是處於0或1的狀態,例如一盞燈泡只有開啟或關閉的狀態,不會同時既開且關。每一個古典位元都只能儲存一個特定資訊。如同前述,古典世界中的各種現象是連續變化的,古典電腦中是無數個離散的0或1。所以很明顯,用數位的古典電腦來描述連續變化的古典世界必然會出現無法相容的問題。

另一方面,量子世界是不連續的,因此量子電腦運用量子位元,可以真正解決量子世界中的所有問題(參見48頁〈關於量子電腦的洞見〉)。在量子計算裡,量子位元所處的狀態在發生測量前並沒有明確數值,可以儲存更多資訊。量子疊加(superposition)使得量子位元的兩個狀態都以機率存在,也就是在沒有測量前,量子燈泡(位元)的開啟且關閉這兩個狀態都存在,這是古典電腦無法達成的功能。

量子位元大躍進

近幾十年來,量子相關技術發展迅速,不僅精密度提高,而且能夠透過操縱原子直接模擬量子系統。Google、IBM、英特爾、微軟等國際企業紛紛擴大量子技術研發團隊,先進國家也陸續投入數百億美元來推廣量子應用。量子技術的成果不斷推陳出新、日新月異,其中關鍵技術量子位元的發展也是百花齊放:超導體、離子阱(ion trap)、中性原子、鑽石的氮晶格空缺(nitrogen-vacancy)中心、量子點(quantum dot)、矽基量子位元(Si-based qubit)、拓撲量子位元(topological qubit)、光量子集成電路(photonic integrated circuit)、核磁共振(NMR)等量子位元都以不同形式應用於量子電腦中,誰能勝出尚在未定之天。量子電腦和量子計算仍面臨諸多艱鉅挑戰,例如量子位元必須具有足夠的保真度(fidelity)、一致性和可擴展性,才能適用於大規模商業應用……


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