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- 617期－量子革命再起！量子資訊（5月號）
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2021-05-01量子革命來了！未來科技生活即將翻天覆地
617 期
Author 作者
古煥宇、陳岳男
去（2020）年，2019 冠狀病毒疾病（COVID-19）疫情肆虐全球，各地封城的結果導致消費性電子產品的需求日益增加，而臺灣的護國群山，包含台積電、聯電、世界先進等電子產品製造公司屢屢創下了市值新高。為了防疫所需，公共場所如政府機關、機場、醫院等出入口加裝紅外線感測器，使得測量體溫的過程變得方便且安全。此外，在各國邊境封鎖政策之下，跨國光纖網路也讓居家辦公及線上會議成為生活的常態。
隨著科技的進步，大眾對於半導體、雷射、光纖網路感到習以為常，但其實這些科技的基礎，都建構在量子力學的原理之上。由量子力學帶動的量子革命掀起了巨大的波瀾，成就了我們所看到的現代社會。
電晶體與雷射的出現：第一次量子革命
20世紀的科學家們不斷利用量子現象推動整個世界的進步。舉例來說，觀察半導體材料中電子和電洞的行為，使得貝爾實驗室（Bell Labs）的三名科學家巴丁（John Bardeen）、蕭克利（William Shockley）、布拉頓（Walter Brattain），於1947年發明了第一個電晶體，從而奠定了積體電路的基本要件，並且成為現今科技業的基石，進而帶動晶圓代工產業。
而另一個利用量子現象的例子是雷射的發展。自20世紀初愛因斯坦（Albert Einstein）首次提出了「受激輻射」（stimulated emission）的概念後，1958年由美國物理學家湯斯（Charles Townes）及蕭洛（Arthur Schawlow）建立了雷射原理，也就是將光打到特定介質底下後，光子便會出現群聚的共同反應，產生出擁有相同頻率、振幅、方向的光。雷射的應用除了最平易近人的雷射筆之外，更是廣泛運用在生活（醫療、顯示器）、工業（切割、檢測）、科學研究等。
第一次量子革命只利用一部分的量子物理原理，就為我們帶來了現代方便的生活。而科學家們仍不斷思考與追尋，我們是否可以做的比現在更多？我們能在一般的生活當中操縱量子的特性嗎？有沒有辦法真正基於量子力學的奇異特性，例如線性疊加與量子糾纏等開發量子元件？以上這些問題，將在第二次量子革命實現。
20世紀起，科學家利用部分量子物理的原理，發明了電晶體與雷射等科技，並促成了第一次量子革命。（123RF）量子拿出真本事：第二次量子革命
隨著人類控制與操縱單個量子系統的技術進展，並結合正在進行中的量子資訊理論，將各種量子特徵，包含疊加、糾纏、不確定性、非局域性等，視為一種代替古典位元（0和1）的「量子位元」（qubit），從根本上顛覆了人類對於訊息處理的理解。單一的量子位元除了能表達古典位元的0和1，還能同時表達0和1的線性疊加。由於量子位元可以同時表達0和1的各種可能性，在某些問題當中便可以大幅減少執行計算的速度。此外，若是考慮兩個量子位元，除了能表達00、01、10、11等四種情況，還可以利用量子糾纏的特性，將資訊編譯到彼此有關聯性的量子位元中，實現量子加密通訊。
利用量子位元來當成計算的基本單位，最早是由美國物理學家費曼（Richard Feynman）於1982年的一場演講中所提到。費曼表示，這個世界並不是由古典物理所刻畫的，若想要真正的對大自然進行模擬，就必須遵循量子力學的原則。……【更多內容請閱讀科學月刊第617期】