不是零就是一?打造離子阱量子電腦,台灣有機會嗎?

量子運算是近來備受關注的焦點,已知在密碼學、化學、金融及生物科技領域上將有著傳統電腦所無法企及的優勢。當前各國政府及各大科技大廠包括IBM、Intel、Google、微軟……紛紛投入研發資源,鴻海集團則是台灣目前積極投入量子研究的企業之一,鴻海研究院量子計算研究所也將在12/12舉辦的「NExT FORUM」上宣佈成立台灣企業首間離子阱實驗室。

「這是老天爺給的禮物,只要你願意抓就有機會,」提起離子阱(Ion trap)這個目前大有機會實現量子計算的系統技術,中央研究院原子與分子科學研究所副研究員張銘顯說,雖然量子科技目前仍被認為是「天邊的彩虹」,投資回報的機率似乎不是1就是0,但他相信,在這個追逐技術的過程中,至少能為台灣下一個世代的科技產業打下良好基礎。

不同於傳統電腦以0或1的位元(bit)處理資料,量子電腦(Quantum computer)是以量子位元(qubit)作為運算單元,最大的特性就是能夠同時為 0 和 1,如果有N個量子位元,那它們就可以有2^N個基本態的疊加,代表2^N個同時存在的狀態,因此能展現出驚人的量子平行性,提升指數加速的運算能力,量子電腦也因此能進行大量資料的平行運算。因此,打造量子電腦的重點技術在於量子位元的設計與位元間的操控,目前幾個重點系統包括超導體、半導體、光子或離子阱等,例如IBM和Google是使用超導量子位元做為量子電腦的核心,Intel則是選擇半導體。相較這些大廠的選擇,離子阱的優勢又是什麼呢?

什麼是量子?為什麼要做離子阱?

許多人會疑惑,量子究竟是什麼?台灣大學物理系副教授林俊達解釋,量子其實是一個概念,一般會用來描述存在狀態的不連續性,而不是像原子、中子、質子或電子那樣像我們認知的粒子。以彈吉他為例,撥動吉他弦時會在弦上產生駐波,受限於兩端是固定的,這時能產生的基本的模態形狀是非任意而且不連續的。即便撥法不同會產生不同的形狀,而這些形狀都可以被分解成那些模態的疊加。量子力學的疊加態也是這樣來的,我們可以將有意義的資訊對應到這些模態而加以疊加,就能實現量子位元,再透過量子電腦平行處理。現在離子阱量子電腦,就是使用每一顆離子帶有的電子的狀態,來作為量子位元的載體。

「離子阱是一種技術,這裡更指的是一種物理系統。而我們要以這個系統來實現量子電腦。」張銘顯說,早在1950年代就被發明的離子阱並不是一個很新的技術,目前較為成熟且重要的應用包括質譜儀(註:用質量來測量並分析物質的儀器)。離子阱主要是透過數伏特至千伏特的時變電場以及靜電場來囚禁離子,只要原子束在離子阱中間與電子束或是游離雷射的光子束碰撞,進而產生游離,就能將帶電原子(原離子或簡稱離子)並被束縛在阱中。為了避免量子特性受到破壞,離子還必須被維持在絕對低溫、並被隔絕在超高真空的乾淨環境中。所幸這些都是成熟技術,例如雷射冷卻就是讓原子停下來的技術。在產生離子同時,對阱中的離子施以雷射冷卻,它們就可以在毫秒的時間內失去絕大部分的動能而停留在阱的底部,對應的溫度約為絕對溫度千分之一克爾文。若繼續施以進階的雷射冷卻,更可以降至百萬分之一克爾文。

張銘顯將原子比喻為上帝給的禮物。相對於超導或半導體系統是人造量子位元,或多或少具有差異,離子是善用天然存在的原子來儲存量子位元,並具有天生的一致性。相較於光子系統,光子只要不飛行就會消失、並容易在飛行中被湮滅,因此我們很難「儲存」光子來實現量子記憶體。離子被穩固地囚禁在離子阱中,其量子同調時間長度也是其他系統難以匹敵的,因此要實現任意量子操作會容易許多。

除此之外,若摩爾定律還能繼續適用,那麼再過十年光景,電晶體的尺寸將會被微縮至接近一個原子的大小。屆時,目前電晶體所依循的物理機制也將無法在那個尺度下運作。由此推之,我們早晚要直接面對並操控原子,那為何不現在就開始去做?

當然,離子阱系統還有許多技術需要克服,例如,要如何將量子位元數擴展至數百、數萬、甚至百萬,並且能隨心所欲的產生、控制、以及測量多個量子位元產生的量子糾纏態。而這就是未來發展的重點。

近乎苛求的硬體要求

張銘顯解釋,時至今日,量子現象已被認為是一種重要資源,而開發及應用此資源的研究也從科學變成工程學,也因此有人將近幾年發生的變革稱為「二次量子革命」,用以區分二十世紀初的量子革命(量子現象的探討)。

另一方面,上世紀的成就,例如雷射以及半導體IC的發明等涉及材料科學的進步與應用,也都屬於量子力學的應用,並能被稱為量子科技。但是今日講的量子科技則是以直接產生與使用波函數與量子同調性等量子特性來達到應用目的。因此上世紀的量子科技被稱為Quantum 1.0,而目前方興未艾的量子科技則被稱為Quantum 2.0。

由於Quantum 2.0需要許多技術門檻極高的致能科技(enabling technologies)的支持,對硬體規格的要求可謂近乎苛求,一些困難的工程問題,無法單靠學術界解決,因而需要工業界的支援。

近乎苛求的硬體要這是一個為下一個世代產業打底的工程

那麼,量子電腦是台灣不能錯過的機會嗎?張銘顯認為,這個問題可分成兩種面向,一種是做不做得出來?一種是有沒有商業機會?與其去問機會在哪,也許該問的是:「如果決定不投,跟它賭這個不會成,我們有沒有辦法承擔萬一成功的損失?」如果不行的話,我們還是得要跟上這波,落後再久都要跟,這也是一個為下個世代產業打底的工程。

張銘顯笑說,雖然,台灣已經落後於全球量子電腦的競爭二十年,但是台積電剛成立時,也是落後Intel二十年,並且花了三十年的時間才追上。「雖然投資的結果可能是全拿或全輸,不是1就是0,但我們能不能留下0.5?」他說,因為這樣一部機器的建造,對於硬體的要求十分高,光是把硬體做好就是在磨練下一個世代的科技產業的技術。他舉例,像是我們發射雷射光去偵測原子,受到激發後的原子不久會掉回基態並發出光子。我們希望這過程中發出來的光子都被相機所偵測到,相機的靈敏度就必須要很高。這樣的相機技術未來不只能用在量子電腦上,還能應用在生物科技上。我們希望過程中留下的知識能為產業帶來啟發,並打下基礎。

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