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為什麼量子計算比較快?

  • 林育中

薛丁格的貓是用來說明量子疊加態的一個著名例子。Wikimedia Commons

量子力學是上世紀初的科學顯學,許多優秀先賢前仆後繼地投入這個領域,迄今已有百餘年的歷史。通常一種基礎科學問世之後,過幾十年的光景就有可能有機會進入商業應用階段,那麼為什麼量子信息科技在如此之久以後才在最近浮上檯面、成為議題?

其實量子力學的應用早已深入科技、生活,不僅在對於自然事物的瞭解上,譬如固態物質中晶格週期性重複排列的行徑、鐵磁現象—鐵磁性質是純粹的量子現象,沒有古典的類比—等,也實實在在的進入產業。光電產業中的雷射、LED、量子點等,全部是對於量子離散能階理解的運用。在半導體元件物理中,譬如電子透過Nordheim-Fowler tunneling機制穿過氧化物絕緣體到達彼岸就是純粹的量子穿隧現象,也沒有古典比擬。

但是量子態還有另外兩個重要性質:疊加(superposition)與糾纏(entanglement)。這在以前鮮少進入產業應用,主要因為這兩種性質的應用需要對微觀世界的精準控制,但是奈米科技比較成熟不過就這一、二十年的事,這卻是量子計算所需使用的核心量子特性。

量子疊加在科普界久負盛名。在古典物理中,一個系統只能處於一種物理狀態,就好比傳統的記憶體位元只能處於0或1狀態,但是不能兼得。在量子的世界中,一個系統可以有部分機率為一種狀態,另外部分機率在另外的狀態,這樣的性質就是量子疊加。

在實際測量量子狀態之前,我們無從得知系統是處於那種狀態;而量子狀態在測量之後,就會崩潰(collapse)成單一的古典狀態。在上述0與1的例子,如果把1當成是「生」、0當成是「死」,而這如果是一隻貓的生命狀態,這就是名聞遐邇的「薛丁格的貓」。要注意的是可以疊加的不只是兩種量子態;如果系統容許n種量子態,就可以形成n個量子態的疊加,這是量子計算最常用的運算之一。

糾纏是數個量子態之間的奇妙連結,愛因斯坦以「spooky(幽靈般的)」名之。舉個例子,如果一對光子在總角動量為0的狀況下產生而背對背的以光速離去,其中一個光子的角動量(就是自旋)如果為1,則另一個光子的角動量因為總角動量守恆必為-1。在我們還未量測光子的角動量之前,我們對它的角動量狀態是完全無知的。但是當我們測量其中一個光子的角動量,另外一個光子的角動量(它即使遠在天邊),總是會恰如其份的瞬間顯示已被測到角動量的負值,彷彿兩個光子能超越光速、秘密溝通。愛因斯坦在1935年對這糾纏現象提出質疑,叫EPR悖論。這問題花了80年的時間才在前幾年被實驗嚴格的證實:糾纏的確是量子現象自然的一環,沒有背後隱藏的黑魔術。

可以糾纏在一起的量子態(或者是量子位元)數目自然不止一個,使量子位元彼此可以糾纏目前是量子計算機硬體技術最大的挑戰。像在可擴充性(scalability)此一性質最被看好的量子點(quantum dot)量子位元技術,因為它用的是半導體製造技術,而半導體擅於微縮、整合,因此生產巨量的量子位元似乎不是問題。但是目前的技術只能讓兩個量子點彼此糾纏,與用超導體技術作的量子位元可以彼此糾纏的量子位元數相差甚遠,因此便成為目前此量子點技術應用亟需克服的最大挑戰。

量子計算便是以糾纏和疊加來計算開始的始初態,之後便以量子閘(quantum gate)來執行量子演算法所需的運作。量子演算法可以快速進行的原因是因為糾纏與疊加量子位元後所造成的量子狀態運作時是平行運算,這是量子霸權的技術與科學基礎。

平行運算的概念傳統電腦也有,4核、8核的CPU乃至於幾千個圖形處理器同時運行是現在計算機的基本運算模式。但是這相對於量子計算不只是小巫見大巫,而是許多個數量級的差距。以IBM與Google最近發表的53量子位元的量子計算機為例,它們的計算一開始準備的初始狀態理論上可以是2的53次方(大約是10的16次方)的糾纏、疊加狀態,而這麼龐大數量的訊息自始便以平行計算,來執行演算法。以後每增加一個量子位元,潛在的平行計算位元便倍增,這是以指數成長的平行運算機器!

量子計算還有一個潛在的優點較少人提及。傳統計算機由於遵循馮諾曼架構,資料在記憶體與處理器之間的搬動造成運算速度與功耗的問題。所以現在高效能計算無不戮力以赴的至少形成近記憶體運算(near memory computing),譬如以異構整合將處理器與記憶體置於一封裝內,縮短數據搬動距離。量子位元由於無法被複製,從設計的第一天開始,量子計算就直接在量子位元上運算。如果這不是記憶體內計算(in-memory computing),至少也是near memory computing,但此是另話了。

現為DIGITIMES顧問,1988年獲物理學博士學位,任教於中央大學,後轉往科技產業發展。曾任茂德科技董事及副總、普天茂德科技總經理、康帝科技總經理等職位。曾於 Taiwan Semicon 任諮詢委員,主持黃光論壇。2001~2002 獲選為台灣半導體產業協會監事、監事長。現在於台大物理系訪問研究,主要研究領域為自旋電子學相關物質及機制的基礎研究。