《蟻人與黃蜂女》中的「量子穿隧」是什麼?新世代量子電腦的打造全靠這原理!

【我們為什麼挑選這篇文章】有看過「蟻人」(Ant-Man)電影了嗎?片中提到的「量子領域」(Quantum Realm) 被描述為不受時間和空間限制的地方。在現實生活中,運算能力強大的「量子電腦」就是在奈米 (10-9 m) 的量子現象中誕生出的產物,那到底量子電腦跟傳統電腦有什麼差異呢?本篇由  國家實驗研究院 撰寫,由淺入深,用簡單生動的比喻帶你快速理解量子電腦的原理及未來發展。(責任編輯:鄧天心)

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財團法人國家實驗研究院 (National Applied Research Laboratories),簡稱「國研院」,院內有 10 個國家級的實驗研究中心,研究發展的內容上天下海,包羅萬象。不但專注於「地球環境」、「資通訊科技」、「生醫科技」、「科技政策」等領域所需要的研發平台與技術服務,也積極參與推廣科學普及教育,讓科學和科技不再冷冰冰,而是走出實驗室與大家的生活更親近噢!

美國超級英雄電影「蟻人與黃蜂女」(Ant-Man and the Wasp) 片中提到很多量子現象,像是幽靈 (Ghost) 具有「量子穿隧」(Tunneling) 的能力,以及蟻人與黃蜂女之間的思緒形成了「量子糾纏」(Entanglement) 現象;這些在奈米 (10-9 m) 尺度下顯示出來的量子現象,能夠被用來製作運算能力強大的量子電腦。

就讓國家實驗研究院來和大家介紹:量子電腦和一般電腦的差異性、運作原理,以及未來可能會如何發展。

量子電腦的應用

現今家用電腦的處理速度已經相當快了,不管是存取檔案,還是資料處理,都已經不像十幾年前那樣,還需要經過長時間的等待。那是否仍存在一些傳統電腦難以解決的問題,會需要透過量子電腦呢?

舉一個實際而簡單的例子:假設今天要預估去 19 個國家旅遊的最短路徑,透過傳統 1GHz 的電腦需要循序去計算不同的排列組合 (算式是 19!=19x18x17…x3x2x1),那將花上數年的時間才能夠完成整個計算。

但若使用量子電腦,由於運算方式的不同 (√n!),將可以在一分鐘內就能快速獲得解答。又如電腦解密、化學和製藥、分子的研究模擬等,也都能夠透過量子電腦加速完成,因此顯示了量子電腦對未來科技的重要性。

電腦位元比較

位元是組成電腦最重要的基本單位,量子電腦位元與傳統電腦位元的差異在於, 傳統電腦以 0 或 1 來計算或儲存

量子電腦則以二個不同的狀態 (2 level system) 形成基本位元,例如電子自旋向上 (spin up) 與自旋向下 (spin down)。有別於傳統電腦的是,一 個量子位元不再以 0 或 1 來進行處理或計算,它可以是 0 或 1 的疊加態 (superposition),同時可能是 0,也可能是 1,並給予兩種狀態不同的機率,疊加形成 (如上圖)。

除了具備「疊加態」的特性外,量子位元還具備了如電影中的「量子糾纏」特性。以電子的自旋為例,電子的狀態可以是自旋向上或自旋向下。當兩個電子產生糾纏時,假設量測其中一個位元為自旋向上,則另一個位元則定為自旋向下;反之亦然。當我們把糾纏的兩個粒子分送兩地 A 與 B,我們在 A 地量測到的特性,能夠讓我們即刻知道 B 地的粒子具備的特性。糾纏的特性不僅可以讓更多的量子位元之間產生連結,並已應用於通訊科技。

目前實現量子位元的方式有半導體自旋量子 (semiconductor quantum dot)、離子阱 (Ion trap)、超導迴路 (superconductor loop)、鑽石空位 (diamond) 和拓樸量子 (Topology insulator)。它們各自具備不同的優缺點,以半導體自旋量子而言,它與傳統的 IC 製程相容,容易在尺寸上進行微縮,但其熱穩定性較低。

離子井則具備相對的溫度穩定性,能在室溫下操作,但操作速度相對較慢。超導迴路則具備製程簡易與低成本特性,但需操作在極低溫下 (mK)。鑽石空位具備良好的溫度穩定性,但卻不易產生糾纏。拓樸絕緣體理論上具備相當好的穩定性,不易受外界干擾,但尚未被實現。

量子電腦的展望

目前 Google 已製作了 72 個量子位元,部分應用已超越目前的超級電腦。未來量子電腦技術將愈來愈成熟,從研究層面進而應用於人工智慧、化學、通訊與醫學等實務層面,帶領人類科技更上一層樓。因此,投入量子電腦的研究,將是刻不容緩的課題。

撰文者 國家實驗研究院 林昭正博士

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(本文經 國家實驗研究院 授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題,原文標題為 〈蟻人與黃蜂女—談「量子電腦」)圖片來源:YouTube

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