University of Chicago

金政:量子疊加使量子位元比古典位元有優勢

鴻海集團積極投入量子科技研究,在12/12由鴻海研究院舉辦「NExT Forum」量子計算論壇上宣布成立「離子阱實驗室」,邀請芝加哥大學教授的金政分享量子計算的基礎、應用與挑戰,並分享他的研究——利用超低溫原子來實現量子計算的優勢。若能在一定程度上模擬特定的量子系統,知道系統動態的演變,或許就能藉由控制量子系統來模擬宇宙的形成。

了解量子電腦前,先知道什麼是量子疊加?
我們知道,古典電腦的一個位元只能表示0或1的狀態,而擁有量子力學性質的量子電腦,則是能用量子位元以不同的機率同時表示處在0跟1的疊加態。因為量子力學具有不確定性,使得量子系統能同時以不同的可能性,處在不同的物理狀態,這種不確定的狀態被稱為疊加態,而量子疊加則是古典位元與量子位元的主要差別。

量子疊加的性質是,當位元數增加時,能表示的狀態數量相較於古典位元的線性增加,量子位元能表示的狀態將會指數成長。因此,在處理一些特定的問題,如模擬量子系統、處理與密碼相關的質因數分解問題,或是和最佳化相關的資料庫搜索問題時,藉由量子位元的性質或相關量子演算法,量子電腦相較於古典電腦更具有優勢,能比古典電腦更快找出答案。

易受干擾的量子位元
金政在演講中指出,現實世界裡完全獨立的量子系統是不存在的,我們需要考慮到環境對量子位元的影響。量子位元出現在0跟1狀態機率的相對關係被稱為「相位差」,當量子位元受到干擾時,原本的相位差便會產生改變造成誤差,而主要的干擾可以分成兩種:弛緩與退相干。

弛緩指的是,量子位元的狀態會隨著時間,受到熱平衡與環境的影響,回到最穩定的狀態的趨勢。舉例來說,若最穩定的狀態是0,原本是1的量子位元態,在0的狀態的可能性會隨著時間漸漸增加,變成0跟1的疊加態,最後停留在0的狀態。退相干則是指,當量子位元與環境或其他量子位元間有交互作用影響時,會改變量子位元的相位差,隨著時間演變,系統會漸漸失去改變量子位元相位差的能力,且失去量子性質變成古典的系統。

若是量子位元容易受到干擾,當量子位元的數量增加時,便會面臨嚴重問題。量子電腦相對於古典電腦的優勢,主要表現在處理規模較大的特定問題。因此,若是量子位元受到環境或其他量子位元的影響而無法保持在穩定的狀態,便無法規模化量子位元的數量,量子電腦的使用優勢也會隨之減少。

藉由極低溫原子來進行量子模擬
在量子位元的數量規模化與穩定度增加之前,目前最能展現量子電腦優勢的問題是量子模擬。金政的實驗室主要進行不同領域的量子模擬研究,包含粒子物理、凝態物質、宇宙學等。以極低溫的銫原子來實現量子位元,並藉由施加光子來控制量子位元的狀態,而量子系統的控制則是透過量子物質合成器來達成。量子物質合成器將原子加載到特殊晶格中,待原子冷卻後,可以透過移動晶格來控制原子分佈並進行成像,進而控制原子與原子之間的交互作用,在量子模擬方面有著很大的幫助。

金政表示,這個系統最特別的地方是,雖然藉由多個原子進行實驗,無法確認個別原子的狀態;但只要能控制並知道系統的演化,便能在一定程度上模擬特定的量子系統,從而知道系統動態的演變,進而了解複雜的物理現象,例如將量子電腦與外部環境視成不同的兩個系統,並藉由控制量子系統來模擬宇宙的形成。(撰稿者:施麗釵)

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