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量子電腦的原理簡介

文勝豪傑編2020-10-02

在5G浪潮後,下個令人矚目的科技超新星 “ 量子電腦” 也慢慢浮上檯面,慢慢越來越多人去關注或了解,繫上篇有人簡單介紹過量子電腦展望跟現在發展後,今天的文章會著重在量子電腦實用的原理上,當然盡量以前顯易懂的方式,暫時先不呈現數學式。


首先我們要來先介紹量子這個東西跟傳統電腦位元布一樣在哪裡,首先普通的位元只有0或1兩種狀態,但是量子則是0跟1的疊加狀態。說到這裡就要簡單來介紹兩個名詞故事才可以繼續說下去,第一個是量子疊加 (quantum superposition),一個量子狀態是所有量子可能擁有的狀態組合,最有名介紹的就屬薛丁格的貓(Schrödinger’s cat)了,在觀測前他是有著死亡跟活著的狀態同時疊加,等到我們觀測後他就會崩塌(collapse)到其中一種。

下一個是量子糾纏 (quantum entanglement) 是指空間中不同的量子位元 (qubits) 形成關聯。舉例來說,如果有兩個量子位元 A 與 B,各別處於 0 與 1 的疊加狀態中。若 A 與 B 形成糾纏態 (假設 A 為 0 與 B 為 1 糾纏),當我們量測 A 得到 0 的狀態時,B 則必然為 1 。

這兩個的性質帶給我們幾個著名的好處像是量子位元不像傳統的位元只能表示n個狀態,他可以表示2的n次方個。第二個就是天生的量子平行處理(Quantum Parallelism)特性,你只要計算幾顆特定量子位元就可以知道剩下量子狀態為何。此二性質讓科學家們被量子電腦發展的潛力深深著迷,蛋等在它們後面的則是非常難達成的條件,量子糾纏必須在極低溫下觀測,且要維持2顆以上同時糾纏非常困難,這也是目前量子電腦遇到技術門檻的點。

剩下就是介紹幾個量子電腦現在主要使用的原理了,首先第一個量子退火 (Quantum Annealing),主要是透過降低溫度找到最小能量的過程,靠著系統逐漸靠近基態並顯現出量子現象。但這個的缺點是在不是把全部量子串在一起糾纏,不能完全達成剛剛提到指數率提升的標準。第二個超導迴路 (Superconducting Loops),超導量子電腦是將超導材料線迴路冷卻至接近絕對零度,使電流在沒有阻抗的情況下流動,讓迴圈中的電流具有量子效應,這是google主要使用技術之一。

量子電腦到現在發展差不多20年,雖然還沒有在商業上有很大的用途,但就像是上一篇提及的,” 萊特兄弟第一架飛機也沒有商業用途,但她讓我們看到飛機在未來應用的潛力” ,希望這篇能夠帶你簡單入門量子電腦的原理,吸引更多人才投入這個領域 !!!

圖片來源: https://reurl.cc/r8LzQx