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開放量子系統研究新突破,有效助攻量子電腦發展

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撰文者:陳宏斌
發文日期:2019-09-24
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  • 在大數據處理與人工智能等領域崛起的現今,對於高速運算能力的仰賴與日俱增。目前在業界提升運算能力的方法,都是基植於電晶體電路體積的微縮以達到數量與密度上的提升。然而,由於原子的體積自然地定義了一個極限尺度,這種競逐微縮化的過程,終將停止於這個終點線前,無法跨越自然界所設下的這堵高牆。這個問題的根本在於,當元件設計地如此細小時,許多量子的特性便會凸顯出來甚至主導了元件的行為,這使得科學家與工程師們不能再以古典物理的框架來研究設計這樣的元件,否則無法獲得良好的解釋與行為預測。著眼於對未來發展的洞見,元件系統的各種量子特性的深入研究與量化勢在必行。
     
    ST0 pure dephasing
    用布洛赫球來表示單態-三態量子位元消相位過程

    目前,量子電腦多半還是只侷限於在實驗室內運作,距離商用化還有一段路要走。其中一個最大的技術瓶頸在於,這些特殊的量子特性十分脆弱,很容易因為周圍原子環境的破壞而消逝殆盡。例如半導體量子點中,困陷於位能阱中的電子必須承載在由原子構成的晶格結構,因此無可避免的會與周圍的原子交互作用,尤其是其自旋對於周遭原子核自旋產生的磁場漲落就相當敏感,當電子自旋態製備在某個量子疊加態後,基底之間的相位差會因為周遭的磁場漲落導致其時間演化逐漸變得模糊不確定,最後完全衰退消失,產生消相位過程。量子位元一旦歷經了消相位過程,便失去了量子疊加態的特性,行為將會變的與古典電腦的統計特性一致,因此消相位過程被認為是量子到古典過渡的一個主因。同樣的,這個消相位過程也會破壞多個量子位元之間的量子關聯性,使得量子電腦不再具有量子的特性,因而無法發揮應有的效能甚至頻頻出錯,這樣一來運算效能便大打折扣。因此,深入探討這些消相位機制以及檢測量子性質是否還能持續保有,在提昇量子電腦的效能上是至關重要的課題。猶如現代電子產品在生產的過程中,為確保其產品品質,需要一些品質檢測的程序。

    回歸到最原始的問題:量子物理與古典物理對於自然界如何運作的觀點可說是截然不同,而量子到古典之間是如何過渡?如何驗證量子特性?一直是量子物理與量子資訊理論裡重要的研究分支。成功大學物理系陳岳男特聘教授與成功大學工科系陳宏斌助理教授近年來發展出一套單邊量子關聯性的檢證方法與消相位過程的非古典性測度,最新的研究成果登上Nature Communications (自然通訊) 國際頂尖期刊。

     
    Hamiltonian ensemble
    哈密頓量係綜集合所主宰的平均時間演化示意圖

    陳岳男與陳宏斌近年來攜手與交大、日本理化學研究所 (RIKEN)、韓國高等技術學院 (KAIST) 的學者們組成研究團隊,共同研究量子系統的消相位過程中與亂序 (disordered) 環境影響下的關係。在一個真實的實驗裡,量子系統會與一個巨大的環境交互作用而產生關聯性,且由於環境的自由度近乎無窮大而導致這個系統環境間關聯性不易加以測量、操作與檢證。這使得系統環境間關聯性的資訊易受到來自環境漲落的破壞而損失,進而導致量子系統發生消相位過程並失去量子的特性,行為逐漸變的古典化。

    為了檢證與量化消相位過程中量子性質的程度,陳岳男與陳宏斌建立了一種新穎的哈密頓量係綜集合模擬法,藉此可以初步判斷量子系統與環境之間是否建立起量子關聯性,其先導研究已在去年發表在Physical Review Letters (物理評論快訊) 國際頂尖期刊。此外,這個方法也能夠分析消相位過程的類頻譜組成,藉由這種類頻譜表示法,我們可以更容易的看到量子的特徵。一般而言,頻譜分析多用在信號的處理方面。而在量子演化過程中發展出類頻譜表示法相當少見,這也為這個領域開啟了一個新的研究方法。

     
    參考文獻:
    [1] H.-B. Chen, P.-Y. Lo, C. Gneiting, J. Bae, Y.-N. Chen, and F. Nori Nature Communications 10, 3794 (2019).
    [2] H.-B. Chen, C. Gneiting, P.-Y. Lo, Y.-N. Chen, and F. Nori , Physical Review Letters 120, 030403 (2018).


     
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