物理新知

量子運算可能嗎? (I )
知識通訊評論第105期

無序中的秩序

達塔當時還就讀新墨西哥大學研究所，是凱維斯的學生。他開始尋找是否有另一種解釋。他注意到二〇〇〇年，在新墨西哥州洛斯阿拉莫斯國家實驗室的量子 物理學家瑞祖瑞克（Wojciech Zurek）首次提出一項鮮為人知的量子性質：量子失協。量子失協的大小代表一個系統受測時受到干擾的程度。巨觀系統不受觀察影響，因此量子失協的數值為 零。但是量子系統無可避免一定會受測量所影響，因為任何測量都會迫使系統選擇眾多疊加量子態的其中之一，因此只要有量子關連性（quantum correlation），包括量子糾纏，量子失協就不為零。

牛津大學量子物理學家維得拉（Vlatko Vedra）表示，多年來這個觀念都受到忽視，因為太抽象了。二〇〇二年，維得拉曾與英國布斯托大學科學家韓德森（Leah Henderson）合作，導出量子失協的數學公式，但當達塔發掘出量子失協和量子運算的關連，很多狀況就不一樣了。

量子運算可能嗎? (I )
知識通訊評論第105期

利用次原子物理原理的量子運算，由於理論上運算能力超強，一直受到很大關注，但由於其系統不穩，也被認為很難能實際運用。新近的實驗發現，過去認為是不利因素的干擾與混亂，似乎反倒有助於量子運算的成功。

量子物理學

二〇〇八年，澳洲布里斯本昆士蘭大學量子物理學教授懷特（Andrew White）發覺自己在蓋的機器簡直「荒謬至極」。

多年來，懷特研究「量子運算」，試圖利用「次原子物理」，來創造出具備可以超越現有最好運算機潛力的儀器。他深知，這是難搞的工作，因為能運用於儀器的量子系統非常脆弱，需要完美無暇的實驗條件，才能保持量子系統夠長時間便於實際利用。最近懷特正在測試一項有別於傳統的量子演算法，完全顛覆固有的認知。這個方法需要的反而是混亂無序的狀態，量子系統一向避之唯恐不及的干擾，在這個設計下卻成為驅動運算的來源。

「坦白說，我原本覺得這是不可能的。」懷特說道。但是當他打開電源，這架不可思議機器卻開始運作了。
近年來，許多科學家提出不同的量子運算方法，懷特的想法僅是其中之一。傳統上認為量子運算要靠「量子態糾纏」（quantum entanglement）才能實現，這是指兩個粒子即使相隔遙遠也能交換訊息的效應。不過最近的實驗發現，量子糾纏或許全不必要。量子運算也可以利用另一種量子特性來實現，叫做「量子失協」（quantum discord），在實驗室維持此狀態比起傳統方法更容易，也更便宜。還需要更多實驗才能讓懷疑這種理論的人信服，但若是成功，量子運算的時代就能比預期的更早來臨。

生命裡的物理奧祕
知識通訊評論第105期

存在於物質微小尺度的量子效應，似乎與巨觀的生物風馬牛不相及。但是近來一些研究發現，在生物世界中存在著某種量子效應，這使得科學家想到，可以師法生物自然原理，來了解量子世界的奧祕。

南芥

從表面上看起來，量子效應跟生物有機體，這兩者似乎風馬牛不相及。量子效應通常只有在極小的奈米尺度才看得到，還要加上強力真空、超低溫、以及嚴密控管下的實驗室環境。生物有機體則居住在一個宏觀尺度的世界，那裡溫暖、混亂、什麼事情都不能控制。像是「同調性」這種一個系統裡每一部份波動模式，都保持一致的量子現象，在喧囂不已的細胞世界裡，維持不了百萬分之一秒鐘。

細胞世界

大家都這樣認為，但是近年來的研究發現，大自然知道一些物理學家不知道的奧祕：在大自然的世界裡，同調的量子過程可能根本俯拾即是。鳥類可以利用地球磁場導航，以及植物與細菌將陽光、二氧化碳與水分，轉化成有機物質光合作用的內在運作機制，這種認為是地球上最重要的生化反應，都是已知可能帶有同調性的例子。

美國麻省理工學院物理學家洛依德 (Seth Lloyd) 表示，生物學向來是什麼好用就用什麼，如果量子這套行得通，那又何樂而不為。有些研究者甚至已經開始談論一門稱為「量子生物學」的新學門，他們認為量子效應即使罕見，也是一種大自然運作的重要機制。實驗室裡想要弄出實用技術的物理學家，對此也頗為矚目。

洛依德說，他們很希望從這些生物系統巧妙運用量子的方式裡借鏡，倘若能夠對生物有機體如何維持量子效應多有瞭解，就可有助於研究者達到難以捉摸的量子運算目標，也許就能據此做出效能較佳的儲能裝置，或是有機太陽能電池之類的東西。