前天, 2012的諾貝爾物理獎頒給兩位科學家
文中提到量子電腦, 然後開啟大家開始熱烈討論"何謂量子電腦?"
有趣的是, 偉大的物理學家費曼曾說:
"I think I can safely say that nobody understands the quantum theory."
(我想, 我可以大膽的說: 沒有人懂量子力學)
然而, 我們現在要討論量子力學的延伸產物......量子電腦 XD
我本身是從事固態的量子位元相關實驗研究
所以常常在介紹實驗室, 或是跟朋友學弟聊天, 很多人劈頭就會問: "甚麼是量子電腦?"
(像很多人看到學物理的人就會問:"甚麼是相對論?")
最近有幸看到一本書, 裡面在討論量子物理, 後面的章節對量子電腦的詮釋
甚至引用到平行宇宙這種概念性存在的物理,
整個讀完後, 我本來可以對量子電腦講幾句見解的, 變成一頭霧水 = =m
(平行宇宙有很多可以應用的地方, 也延伸出很多說法
其中有兩個比較科普一點的應用在於"時光機跟宇宙常數"
時光機的產生使得有一個因果謬論的出現, 例如: 一個人回到過去殺了自己的父親, 那此人的存在性?
如果這裡引入平行宇宙, 則因果謬論就不存在
為什麼? 因為此人到的所謂的過去, 是平行的宇宙的過去, 所以他影響的是平行的那個宇宙的未來
並非他本來的宇宙的未來, 所以此人還是可以存在!
至於宇宙常數: http://en.wikipedia.org/wiki/Cosmological_constant
被愛因斯坦提出之後, 可以找到宇宙的穩態解
(在此先不討論量子重力場論企圖引入量子擾動來解釋宇宙誕生奇異點與其誕生過程)
然後就有科學家詢問一個問題, 為什麼宇宙常數是這個值?
也因為是這個宇宙常數我們這種碳水組成的生物才能存在
所以這甚至可以牽涉到所謂是否有造物主的這種哲學問題
最容易被想到的說法就是.....造物主決定的
這時候, 平行宇宙這樣的概念性也可以解決我們的疑惑;
因為在大霹靂的時候, 產生了多個平行宇宙, 每個宇宙有自己的宇宙常數
剛剛好我們存在的這個宇宙的常數是這樣, 所以這個世界的組成跟形貌才會被決定
也就是用另一個測量不到的說法, 來企圖閃避另一個無法證實的存在)
對於如何不涉及平行宇宙而解釋量子力學, 我有一套假設, 但是不在這裡細談
基於費曼的論點, 加上在知識爆炸的時代, 研究學者多半只能學有專精
為什麼那本書以這種敲邊鼓的說法闡述, 也比較容易想像
回到何謂量子電腦; 首先需要談何謂"量子位元"
閱讀許多國際期刊的文獻, 量子位元有個基本定義是二個狀態的系統
此兩個狀態對應到一般電腦的位元就是0與1
量子位元的這兩個狀態, 在特定操控下會有像波一樣的疊加, 可以寫成 X(0狀態)+Y(1狀態)
其中X與Y可以是任意數, 所以單一個量子位元就可以給出幾乎無限多個組合可能
我喜歡做一個比喻,
如果你問一個一般電腦的位元, 你想吃麵還是飯? 它可能會回答你麵(或飯)
但是一樣的問題轉到量子電腦的一個位元, 他會回答你:
"根據現在的心情與天氣或是地區還有方便度來侷限的狀況, 我想吃麵是57.378%, 想吃飯是42.622%"
一個量子位元, 就會給一個問題回答的可能性機率, 而不是單純的"是"或"否"
所以這個機率的分佈, 給出不同條件下的組合數是.....無窮多!
剛剛問題的承續, 問完飯麵後, 我們讓另一個量子位元計算牛肉還是羊肉
再讓另一個位元計算乾的還是湯的, 最後給一個位元計算零到兩百元台幣間是多少?
然後把最可能的結果取出來......."一碗有湯的牛肉麵, 價格大概在八十五塊台幣"
那.....困擾著大部分人中午要吃甚麼的這個問題, 我們只要四個量子位元就可以大致畫分出來
回頭想想: 那我們需要多少一般位元才能算這個每個人中午都要思考的難題?
答案是很多很多的是或否, 弄出一堆判別上是或否的分佈, 然後去交乘起來, 最後得到的答案是
.............你還不如去買個飛鏢來射還比較快 = =m
基於上面的推論, 量子電腦可以用來給複雜的問題一個"可能性的分佈", 很像人為判斷的結果
所以對一些複雜的問題他特別擅長, 而不是那種"是"或"不是"的是非題
例如: 解碼, 天氣變化分析, 群體行為, 甚至應用在國防的導彈防衛攻擊.......
對科學統計, 賭博天氣, 預測軍事攻擊防衛到外星天文探索與基本粒子研究都很有價值
因此廣受各界注目, 美國的軍事單位據說也投資了不少錢在這方面的研究上
另一個角度是, 量子電腦如果做出來, 從字面上判斷, 它牽扯到量子效應, 所以尺寸應該很小
量子效應是在講我們的世界並非都是連續性, 而是像數學一般, 呈現有最小值的分隔
要看到這樣的最小值, 尺度上就需要非常非常小, 小到可以量測到能量有個最小值與其倍數
因此, 有人用很粗略的估算, 算一個量子電腦擅長的問題,
如果量子電腦由13個量子位元組成, 則要用超級電腦(深藍, 不是IBM最新的Watson)蓋滿整個地球(包括海洋), 才能做到一樣的運算
而此量子電腦的大小, 可能不到一個釐米!!
目前可能做出量子電腦的候選人, 大致上有分固態系統, 光學系統, 還有原子分子系統
此次榮獲諾貝爾獎的, 是致力在光學系統的開端者
每個系統都有其優缺點, 例如原子分子系統, 至今應該還是能做出最多位元的保持者
但是它的可重複製程性很差, 關係到分子結構的特殊性,
將分子中的原子作如同量子位元一樣的操控, 再將帶有資訊的量子位元跟其他位元作共同運算
所以分子長甚麼樣子, 就限制這個量子電腦的特性
光學系統則是最早的大熱門, 因為光本身有波動性, 可以輕易的做到干涉與波疊加的行為
只是要如何站時儲存光資訊, 然後釋放讓位元間彼此交互作用再儲存, 目前還沒有突破點
最後, 實際上最有希望, 也是本人在研究的固態系統
固態系統其實就跟一般的晶體元件, 半導體元件類似
利用人造的"類原子"當作是量子位元來操控, 整體可以在相當設計下去進行近乎完美的控制
目前固態系統比較熱門的部份, 在利用微波晶片與微波光路來型成量子電腦架構
現今遇到不少問題, 但都逐漸在克服與突破中
這裡只是做量子電腦的整體簡介,
在台灣, 台南成大的理論中心與台大物理有不少教授從事相關的理論計算
每年也都會舉辦QSI會議: http://www.ncts.ncku.edu.tw/phys/ch/2012qis.php
http://www.phys.ntu.edu.tw/member/main1.aspx?mem_id=44&skey=A
實驗部份在台中的中興大學, https://sites.google.com/site/nchuqdl/home
彰化師大http://www.phys.ncue.edu.tw/space/index.php/component/content/article/82-led/318-robot
與中研院物理所有在進行
如果讀者有興趣, 我想各個實驗室都會歡迎大家的參觀與討論
