量子運算可能嗎 ? (I)

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。

空前的速度

量子運算的想法始於一九八〇年代，諾貝爾物理獎得主費曼（Richard Feynman）指出，利用量子原理，瞬息間的運算，現有的電腦可就要花上數十億年。傳統電腦的作法是以「二選一」（either/or）的方式儲存資訊，每個位元非0即1。但量子的世界是「兩者兼具」（both/and）。粒子能以「量子態疊加」（quantum superpositions）的狀態存在，同一時間佔據多重空間，比方說同時以順時鐘和逆時鐘方向自旋。

因此費曼認為，在量子的世界裡，我們可以用「量子位元」儲存資訊，也就是同時是0也是1的量子態疊加位元（qubits）。如此一來，由十個量子位元組成的位元串就能同時包含一千零二十四種（二的十次方）0與1的組合資訊。而且若是所有的量子位元都透過量子糾纏的性質來交換資訊，就能進行高速平行運算，不似傳統電腦只能緩慢地依序處理。（見〈量子運算〉）

諾貝爾得主費曼

一九九四年，以量子糾纏執行量子運算的概念首次有了具體的實現方法。美國麻省理工學院的數學家秀爾（Peter Shor）想出適用於量子糾纏的演算法，能以迅雷不及掩耳的速度將超大數字因數分解，意味著這種方法可能在幾秒鐘內就能破解網上加密傳輸，比起一般電腦需要數年的光陰快上太多了。一九九六年美國貝爾實驗室的科學家古洛費（Lov Grover）提出另一種可以量子糾纏的演算法，能夠快速搜尋未分類的資料庫，而傳統電腦只能一項一項緩慢比對。

但是量子糾纏卻是眾多量子實驗學家的惡夢，因為一旦兩個相糾纏的粒子受到外界最微小的干擾，那怕只是一顆實驗室牆壁輻射出的低能光子，系統就崩解了。因此量子糾纏實驗需要非常小心處理，還要極低溫的環境。位於維也納的奧地利量子光學暨量子資訊研究所物理學家馬小松說，「許多人在這個領域中投注許多時間和心力，卻只達到很低的效率。」截至目前，能保持量子糾纏的量子位元數最多只有十四個，但是要建造大型量子電腦少說也要幾千個位元。馬小松說，若是有方法能夠免除量子糾纏的限制，那是再好不過了。

直到約十年前有量子運算的初步實驗，才開始有人考慮，量子糾纏或許並非絕對必要。二〇〇一年位於加州聖荷西的IBM愛曼登研究中心與史丹福大學的物理學家以七個量子位元組成的系統成功執行了秀爾提出的演算法，將十五因數分解成五和三。但爭論隨之而來。位於美國新墨西哥大學量子物理學家凱維斯（Carlton Caves）表示，有些人並不認同這項實驗算是量子運算。

問題出在於，這個實驗是在常溫下，利用液態核磁共振的系統，將資訊儲存在原子核的自旋態。凱維斯早就證實量子糾纏在這樣的條件下是無法維持的，他說，「因為原子核自旋會被翻轉地很厲害，沒有辦法好好排列整齊。」若依照傳統的理論，沒有量子糾纏，就沒有量子運算。

合肥中國科技大學核磁共振專家杜江峰教授表示，經過一段時間，核磁共振學界終於認同，這個系統是不具備量子糾纏的性質，但確實能產生運算結果。二〇〇一年，杜江峰團隊發表了第一個不採用量子糾纏的量子運算實驗。

英國牛津大學物理學家達塔（Animesh Datta）說，「這個實驗問到了關鍵的問題：量子電腦威力何來？」科學家若想建造大型量子電腦，勢必得瞭解運算的原理為何。