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【科學講堂】貓咪既生且死 解釋量子電腦

2020-11-18
■遵從量子力學守則的「薛丁格貓」可以是七分生、三分死。 網上圖片■遵從量子力學守則的「薛丁格貓」可以是七分生、三分死。 網上圖片

大家應該都有聽過「量子電腦」吧?如果還沒有,可能今天開始就要留意留意了:單在2017及2018這兩年,有關量子電腦的私人投資和交易,就至少高達四億五千萬美元!其實基本的量子電腦,現在已經面世,這個可能會顛覆世界的新技術,今天就和大家簡單介紹一下,再討論一下其發展現況。

同時間不同狀態 未檢查不知生死

顧名思義,「量子電腦」跟量子力學有關;當中的理論可能比較抽象,但是我們只需要一個大概就可以了。量子理論奠基人之一、著名奧地利物理學家薛丁格(Erwin Schrodinger)提出的「薛丁格貓」,是討論當中涉及的量子原理一個很好的比喻。我們日常生活中,應該習慣了物品、動植物存在於明確的狀態之中:一隻貓,要麼是死了,要麼還是活荂A乾乾脆脆,決不會有什麼「既死且生」、又是生又是死的狀況;一枚沒有射到球門架、球員身上的足球,如果不是射進球門之中得分,就一定是射到球門之外了,不應該有其他模棱兩可的可能性。

然而量子力學卻告訴我們,在沒有進行確切的測量之前,微觀的世界是可以容許物件弔詭地同一時間存在於不同狀態之間的,例如在我們進行檢查之前,遵從量子力學守則的「薛丁格貓」可以是七分生、三分死;當然在任何檢驗(比如說檢查氣息、脈搏)之後,我們就會確定貓兒是生是死,屆時「薛丁格貓」就會變回平常的小貓,不再「既生且死」了。

混合狀態中操作 同時間進行運算

這個微觀世界的「特色」,又如何可以應用於電腦之上呢?要記得電腦的運作,其實是在一連串0和1之上進行各種操作;量子力學卻告訴我們,除了是0或1之外,也可以是0與1的混合狀態。因此只要經過精心的設計,利用這些「混合狀態」進行的操作,其實可以看成是同一時間對0和1進行運算,也就好比同一時間進行多個計算,所以計算的速度能夠大幅提升。

美國數學家秀爾(Peter Shor)在1994年就發表了一個運算方法,利用量子世界的這個特點去為數字找出質因數(比方說找出32651原來是317乘以103)。千萬不要小覷「找出質因數」這個看似平凡的算術運算:現今常用於金融交易、互聯網絡信息傳遞的加密、解密方法,其實就建基於「為大數字找出質因數是很困難、很費時」這個特質之上,試想想大家如何可以找出32651的質因數?而這也只是一個五位數字:假如是一個有二百多個數位的數字呢?在量子電腦之上運用秀爾的運算方法,就可能可以快速地找到這些大數字的質因數,也就是破解了加密的方法了。

當然暫時大家不需要太擔心,我們的社會還未因為量子電腦而「分崩離析」;其中一個原因,是現有的量子電腦規模還小、相對不穩定:還記得之前討論「薛丁格貓」的時候,我們特別強調「任何的檢驗」會令「薛丁格貓」失去牠「又生又死」的特性?我們當然不能檢查量子電腦是生是死,但同類的問題一樣存在:量子電腦能力卓絕,但是量子的特性暫時還未能維持太久,以致不能進行太長期的量子計算,限制了它們現在的效能。科學家們自然已在努力開發解決這個問題的方法,或是尋找特別適合量子電腦的工作,以使它「一展所長」。

有如此重大影響的科技,值得我們多加留意。■張文彥 香港大學理學院講師

短暫任職見習土木工程師後,決定追隨對科學的興趣,在加拿大多倫多大學取得理學士及哲學博士學位,修讀理論粒子物理。現任香港大學理學院講師,教授基礎科學及通識課程,不時參與科學普及與知識交流活動。

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