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愛因斯坦會如何看待量子運算?

  • 詹益仁

愛因斯坦對於量子糾纏的機率性假說是無法接受的。

這陣子重讀了愛因斯坦的傳記,從學生時代開始就著迷於愛因斯坦與量子力學哥本哈根學派的論戰。愛因斯坦對於量子糾纏的機率性假說是無法接受的,他說這如同是「鬼魅似的遠距作用(spooky action-at-a-distance)」,雖然這個假說在1980年代獲得證實。因此基於量子糾纏所衍生出來的量子運算及量子通信,如果愛因斯坦仍活在世上,他必定也是無法接受一個由不確定的體系所衍生出來的工具,愛因斯坦以「上帝不會擲骰子」,留給世人一個他對於科學信仰上的堅持。

愛因斯坦認為宇宙萬物間能和諧的運行,其背後一定是有一套優雅、簡潔而且明確的理論在主宰。他在1905所發表的特殊相對論,基本上是將時間與空間結合在一個方程式來處理;而之前的牛頓力學,時間與空間是彼此獨立的。1915年愛因斯坦所發表的廣義相對論,在一個理論架構下,把質量也涵蓋進來,因此物理上三個基本量,質量、長度(空間)、時間,全被整合在廣義相對論的理論架構下。他的晚年更致力於統一場理論,意圖將電磁作用力與重力整合在一個理論的架構下,愛因斯坦在臨終的前一天還孜孜於統一場理論,這件偉大的理論至今都無人能完成。

近代物理基本是建立在量子論與相對論之上,而這些突破的進展是根源於更早期文藝復興時期實證主義的興起。實證主義相較於中世紀的形而上哲學,要求必須經由觀察的結果,才能推演出可被接受的定律,也就是實驗上的發現才是真的。這也是為什麼伽利略要到比薩斜塔做自由落體的實驗,以推翻原先越重的物體會越早落地的假說。所以量子論的提出是基於黑體輻射實驗所推導出來的結果,而相對論的提出就是淵源於1887年Michelson-Morly 尋找乙太(ether)的實驗。

量子力學的諸多難以解釋的現象,都是跟量測有密切的關係,也就是所提到的實證主義。就以波跟粒子的雙重性來說,在量子的世界裡如電子及光子,我們唯有經由量測其物理量才能確知其是否存在及其狀態。但是在人類的感知經驗中,粒子與波動的行為是我們認知中所能理解的,因此我們用波動的實驗方式去量測,光子與電子就呈現波動的行為;若以粒子的方式去量測,它們就呈現出粒子的行為。

但是量子的行為究竟為何?我們若不經由量測是不可考的,而量測又受限於人類感知所能理解的上限,也就是波與粒子的個別行為,所以這真是件很無奈的事。就如同量子力學大師海森堡所說的:「我們觀察到的不是自然的本身,而是自然對於人類探索方法的回應。」在實證主義的主導下,加上量測上的限制,導致了量子力學中的測不準原理以及機率性的假說。這些現象唯有在量子尺度內才會發生,不會存在我們日常的世界中,所幸雖然有這些的侷限,量子力學的諸多預測,也都被實驗證實其準確及有效性。

接著我們來談量子運算。量子運算是淵源於所謂的量子疊加(superposition)及量子糾纏 (entanglement)所形成的。在一個二狀態(two states)的系統內,其計算能力與計算的位元數(bit)N,是呈現2xN的關係;但若是在量子計算的國度內,這關係式是就成為2的N次方了,由此可見其計算能力之強大。但是要維持量子糾纏需要非常小心,稍微有一點點外力的干擾,就會破壞了量子糾纏,因此必須在非常低的溫度以及隔絕的環境下進行。

甚麼是量子糾纏呢?我們可用兩個簡單的例子來說明,在高速公路上如果前方發生事故,後方必定大排長龍,一但事故解除,車子會從最前端逐漸疏解到後端,因此最後端的車子須等一段時間後才能啟動,這種一部啟動接著下一部車跟著動,就是我們現行電腦運算的方式。倘若這條長龍的車輛是彼此糾纏的,那麼在事故排除的當下,所有的車子都可以一起啟動了,這所展現出來的效益是巨大的。又如同在一個平面的水床上,若散佈了許多的小球,而每一小球的上下運動,都會連動到到其他小球,這些小球經由這水床是彼此糾纏而相互影響的。

經由糾纏的量子運算,是比傳統的計算方式更能夠同時處理大量的資訊,進而做資料的比對、判斷及優化,找出更佳的解決方案,而在這個過程中是允許有機率的存在。所以不同於現今的計算方式,量子運算並不存在準確的數值計算邏輯,所以也不會完全取代現行的電腦計算;個人認為量子運算的方式可以幾乎等同於人工智慧。

愛因斯坦曾說過,我們面對自然要絕對的謙虛,就如同小孩子般。而他也說「沒有宗教的科學,是不具有說服力的」,這就是他的信仰。他始終不認同量子力學中機率性的假說,因為愛因斯坦認為這不是終極的理論。不能因為它有一定的準確性,而將此視為永世的圭臬。這也使得愛因斯坦的晚年在學術界非常孤單,人們稱他為最後一位偉大的古人。所幸人類經過了整整一百年的努力,終於在2015年發現了重力波,證實了愛因斯坦在1915年所發表廣義相對論的預測,而這位偉大的古人也必定永垂不朽!

曾任中央大學電機系教授及系主任,後擔任工研院電子光電所副所長及所長,2013年起投身產業界,曾擔任漢民科技策略長、漢磊科技總經理及漢磊投資控股公司執行長。