量子電腦正式亮相！
■量子電腦具有強大的運算能力，但製作它並不容易。一直以來，量子電腦都處於一種「好像還要20年」的狀態。現在，IBM公司推出一部雲端量子電腦Quantum Experience，提供大眾操作量子計算。量子電腦不僅不再是未來，而且透過網路人人都能使用。
撰文｜陳奕廷
●量子電腦中薛丁格的貓
量子電腦是基於量子力學的計算裝置，但理解量子電腦不需要薛丁格方程式，只需要薛丁格的那隻貓。薛丁格的貓被裝在箱子裡，有二分之一的機率會中毒身亡。也就是說在貓咪被觀測之前，牠處於生與死的疊加態。
以上是標準版本的薛丁格的貓的故事，量子電腦的版本是接著這個疊加態說下去：隨後，我們使用箱子內有二分之一的機率會放電的電擊器。活貓接受電擊會受傷；而亡貓接受電擊會心肺復甦而醒來。如圖一所示，我們用一隻薛丁格的貓，進行一次電擊，就能得到四種貓的狀態。如果我們使用的是古典的貓，我們需要準備兩隻貓，進行兩次電擊才能得到四種結果。貓的生與死可以看成電腦中的0和1，電擊則是做運算，由這個簡單例子我們可以看出量子電腦的效率如何高於古典電腦。
●使用 IBM Quantum Experience 進行量子計算
IBM公司在位於美國紐約的華生實驗室有一台五位元的量子電腦，透過線上平台 Quantum Experience 讓全世界都能使用這台量子電腦進行運算，註冊帳號即可使用。如圖二A所示， Quantum Experience 提供5個預設值為0的量子位元、10種邏輯閘和2種量測。其中一種量測已被放在第一個位元，圖二B 顯示測量結果：第一個量子位元為0的機率為100%。
接著我們來嘗試「H閘」。H閘的全名為 Hadamard，其功能和薛丁格貓的箱子內的毒藥很像，能把一個確定的狀態轉換成兩個狀態的疊加。舉例來說如果輸入是0，輸出會變成0和1的平均疊加(圖三)。這個邏輯閘常用於產生量子疊加態，是量子電路中最重要的元素之一。
以上介紹的兩個元件都只作用在一個量子位元上，屬於單位元的元件。但在進行邏輯運算時，我們需要操作多個位元，例如：利用一個位元控制另一個位元的狀態。這時，「+閘」就派上用場了。「+閘」的全名是Controlled-Not。「Not閘」是一個單位元的邏輯閘，功用是將邏輯值反轉，把0變成1，1變成0。而「Controlled-Not閘」是一個雙位元的邏輯閘，由一個位元A決定另一個位元B是否進行Not閘運算。若位元A的邏輯值是1，位元B則進行Not閘運算；若位元A為0，位元B則維持原狀態(圖四)。
在此給大家一個練習題：「透過已介紹過的元件，達成兩個位元的量子糾纏態(Entangled state)(如圖五)。」糾纏態是一種非常特別的狀態，它將位元之間共享的資訊最大化。在許多量子電路中，例如：量子傳送(quantum teleportation)，都能看到糾纏態的蹤影。
除了上述提到的幾個邏輯閘，Quantum Experience 裡一共提供10個邏輯閘，在此不一一詳述。這些邏輯閘形成一個「通用邏輯閘集合(universal logic gate set)」，任何量子運算都能透過它們的排列組合達成。換句話說，這台量子電腦是一個通用性的量子電腦，可以處理各種運算。相較於知名量子運算公司 D-Wave System 開發的單一功能量子電腦只能處理最佳化或類似的問題，Quantum Experience 能處理更多、更廣泛的問題。
製造量子電腦最大的困難之一是維持疊加態的穩定性。將系統放在極低溫可以解決問題，但是不是人人家裡都有低溫設備，這對量子電腦的普及化是一大障礙。有些人尋求不同的形態的量子電腦以減少疊加態的耗散，例如：拓譜量子電腦，但其技術還尚未成熟。IBM 公司有了這一個聰明的辦法：將量子電腦放在超低溫並且集中管理，如此一來使用者不需負擔低溫設備。我們僅需透過網路連線到雲端的 Quantum Experience，在鍵盤上敲幾個按鍵，就能操作精密又複雜的量子電腦！
參考資料：IBM Quantum Computing
--
作者：陳奕廷，台大物理系學士，史丹佛大學應用物理系博士班就讀中。
