前陣子廣達大翻盤宣佈開始布局量子電腦,幾個月前林百里林董的說法是這樣的:量子電腦是最高速運算,不容易用在商業上,這種超超高速運算,或許是用在黑洞觀測上,一般商業應用其實用不到。

看到”黑洞觀測”四個字 頓時讓我有點搞不清楚他是認真的還是一種揶揄XD”,可能是跟我本身所學相關所以讓我比較敏感一點了吧!

回想之前曾經在家教網上看到有人PO出案件需求為量子電腦,我還滿驚訝的,這麼新的東西已經有人急著要學了??我是滿有興趣的,但是本身沒學過這方面領域的東西,充其量只有學過量子力學與量子電腦這東西有些相關吧!!要自學的部分仍然非常多所以沒有理會這個案子。

想不到後來竟發現手機有對方的未接來電,但我回撥時總是不在,我一直很疑惑是什麼神秘人士要學這樣的東西,心裡認為對方可能是非常忙的科技業領域人士或是有參與什麼研究計劃的專業人士。一直到最近看新聞提到量子電腦,我才開始關注它最新的發展近況。

量子電腦到底是什麼呢???一般來說,我們電腦上的元件運作是透過控制電壓選擇讓電子通過或是不通過來代表0跟1,莫爾定律推測我們的電腦元件將隨著一定的時間規律地越做越小,台積電的三奈米製程完成也許還有兩奈米甚至一奈米,但是在這麼小的尺度下,微觀世界的量子效應將非常明顯,電子不再那麼地聽話,你不讓它通過,它卻可以藉由穿隧效應越過障礙。

當電腦開始變得沒有邏輯,到時候也就是宣告莫爾定律失效的時候,也許也是因為這樣的原因,國際大廠紛紛開始投入量子電腦的研究。

量子電腦這個概念首先是由費曼所提出,當時為了電腦模擬量子系統,發現由古典的一般電腦來做量子系統的模擬非常耗時,幾乎是不可行的,所以費曼提出問題由量子的概念做出新的運算方法來模擬量子系統 ,也就是量子電腦。

量子電腦號稱運算速度非常快,一般電腦要花上幾萬年的時間才能完成的計算,量子電腦可以在幾百秒的時間內把它算完,但並不是在所有的問題都可以如此神速,而只有在某些特定類型的問題,例如大數質因數分解,為什麼量子電腦在特定類型的問題上計算可以比古典電腦快這麼多,要回答這個問題,首先要先知道量子的世界裡所謂的量子疊加與量子糾纏是什麼。

我們都聽過薛丁格的貓,如果我們把一隻貓被裝進一個箱子裡,這個箱子如果不打開來看是沒有其他方法可以知道內部情況的,我們在這箱子內部裝上一個會有一半機率施放毒氣的裝置,量子力學的想法告訴我們,此時的貓處在生與死兩種狀態的線性疊加,直到我們打開箱子那一刻,貓的狀態才變成生或者死,

按照量子力學慣用的狄拉克符號,我們可以把貓的狀態寫成:

|貓>=1/√2 |生>+ 1/√2|死>

量子力學告訴我們,在我們打開箱子觀測貓的死活之前,貓處於既生又死的狀態,直到我們觀測了以後,狀態崩塌成生或死的其中一種,這樣的想法跟我們日常生活中的直覺似乎不太相符,連愛因斯坦也沒辦法認同這樣的說法,也因此他說了一句相當有名的話:難道月亮在我們看它的時候才存在嗎?這些都顯示微觀世界的現象相當違反直覺,但是量子力學卻通過無數的挑戰,至今仍屹立不搖。

根據疊加態的性質,我們可以讓電子的自旋向上表示1 自旋向下表示0,而未觀測前,電子的狀態既是1又是0,如同薛丁格的貓既是生又是死。

一個量子位元可以同時是1又是0,一個古典位元卻只能表示1或0

如果我有兩個量子位元,我就可以同時表示|11>+|10>+|01>+|00>四種狀態,三個量子位元就可以表示八種狀態,古典電腦的三個位元卻只能表示八種裡面的其中一種狀態。

如此便可進行平行運算,以下引用一個很清楚明瞭的說明:

“我們先理解量子電腦有多霸。從一般常用的筆記型電腦到世界上運算最快的IBM超級電腦,都是以傳統運算的基本位元(bit)組成,每一個位元可以是0或1;但是,量子電腦的基本單位是量子位元,它的物理特性可以讓0和1同時存在。也就是說,一個量子位元能一次帶出無窮多的0與1的組合狀態,加入越多的量子位元,電腦的算力就會以指數型成長。

以迷宮來比喻,有一隻老鼠,每走一段路就碰到一個岔路,走了3次岔路後,會有8個出口,在其中一個出口放一塊起司蛋糕,老鼠唯一能夠吃到蛋糕的方式,就是一條一條路去試,這是目前電腦的運作方式;當老鼠好不容易吃到了蛋糕,此時突然有一隻貓從入口進來,牠每走到岔路就分身,同步在每一條路搜尋所有可能,很快就抓到老鼠。這,就是量子電腦。”

(引用至https://www.businessweekly.com.tw/focus/blog/3000450)

而量子糾纏又是什麼?在量子電腦裡又扮演什麼角色?

假如薛丁格有兩隻貓,總是黏緊緊的在一起,感情甜密得很就像一對情侶,但誰也不知道哪隻是公哪隻是母。薛丁格有一天把它們各裝進一個箱子裡,並讓他們分隔兩地,一隻送往火球太空站,一隻送往地球的朋友家中,薛丁格這位好友是位獸醫還略懂量子力學,他收到這箱子後打開前心裡默默想著,這隻貓處於半公半母的狀態,直到打開後才會變成公或母,而在火星上那隻也會是依樣的狀態,未開箱前是所謂地半公半母的狀態,直到開箱後變成其中一種。

獸醫打開發現收到一隻公貓,同一時刻火星上的太空人打開箱子,箱內必然得到一隻母貓,這看起來似乎不太特別,但是此時獸醫對公貓執行變性手術,火星上的母貓瞬間感覺到遠方的親愛的變了性,趕緊把自己也變成公的,而這中間沒有任何時間差,也就是兩隻貓之間的心電感應傳遞比光速還快!!

這樣的特性在我們運用量子元件操作時,希望可以透過操縱某一個粒子去影響另外一個粒子來進行運算。

目前主流的量子電腦是超導體量子電腦,它必須要在接近絕對零度的溫度下進行操作,以免量子系統被外界干擾破壞量子特性,而台灣的半導體很適合發展另一種稱為半導體量子電腦,它的優點是可以不需要再那麼低的溫度下進行,希望台灣未來在量子電腦這方面也可以有非常好的發展。

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