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。

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IBM的量子電腦及團隊負責人Jerry Chow (source: IBM Quantum Computing)

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。

圖一、薛丁格的貓是量子版本的貓。我們用物理學家習慣的符號寫出量子貓的各種狀態。
圖一、薛丁格的貓是量子版本的貓。我們用物理學家習慣的符號寫出量子貓的各種狀態。

●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%。

圖二、最簡單的量子電路:對量子位元做量測。
圖二、最簡單的量子電路:對量子位元做量測。

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。

圖三、第一個位元中的0經過H閘之後,變成0和1的疊加。從B中可以看出第一個位元處於0和1的機率都是50%。
圖三、第一個位元中的0經過H閘之後,變成0和1的疊加。從B中可以看出第一個位元處於0和1的機率都是50%。

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)。

圖四、第一位元透過Controlled-Not控制第二位元。由於第一個位元的值是0,所以Controlled-Not閘對第二個位元沒有產生任何改變。從B中可以看出第二位元的值仍然維持在0。
圖四、第一位元透過Controlled-Not控制第二位元。由於第一個位元的值是0,所以Controlled-Not閘對第二個位元沒有產生任何改變。從B中可以看出第二位元的值仍然維持在0。

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。

圖五、糾纏態之所以稱做糾纏,因為兩個位元的狀態緊密相連。從A中我們可出若第一個位元的值是1,第二個位元也必定是1,反之亦然。在B中顯示了糾纏態的正確量測結果,可以和你的結果作比較。
圖五、糾纏態之所以稱做糾纏,因為兩個位元的狀態緊密相連。從A中我們可出若第一個位元的值是1,第二個位元也必定是1,反之亦然。在B中顯示了糾纏態的正確量測結果,可以和你的結果作比較。

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

 

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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。對各領域的科學都非常好奇,歡迎互相交流。

 

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