淺談量子計算與 Qubit

           自二次世界大戰後電腦逐漸發展，從最早的真空管、到電晶體的發明、積體電路的出現、以及摩爾定律(Moore's law)的預言：「積體電路單位面積可容納的電晶體數目，約每兩年翻倍一次」^[1]。然而，受限於物理極限，摩爾定律的終點必然會到來，人們一直在思考能否跳脫傳統電腦的框架，創造一套全新的計算方法——其中之一便是本文將介紹的「量子計算」。

古典計算 vs 量子計算

古典位元 (bit) 與量子位元 (qubit)

           在古典計算中（也就是現在的電腦運算），資訊以一連串的「位元」(bit) 表示，而每個位元可以是 0 或 1 的狀態（如上圖左），並且利用各種不同的邏輯閘進行運算。 而量子計算建立在「量子位元」(qubit) 上，不同於古典位元，量子位元可以處在 $\left|0\right>$（可以想像成古典位元狀態 0）與 $\left|1\right>$（古典位元狀態 1）之間的「疊加態」上，例如 $\frac{1}{\sqrt 2}(\left|0\right>+\left|1\right>)$。為了能更具體的表現出量子位元的狀態，常利用如上圖右的 "Bloch Sphere" ：北極點表示 0、南極點表示 1，而此球面上的點就對應到各個可能的狀態。

量子是什麼？

「物理學中常用到量子的概念，指一個不可分割的基本個體。而「量子化」指其物理量的數值是特定的，而不是任意值。」

——wikipedia 

一些歷史

           西元1905年，愛因斯坦(Albert Einstein) 發表了劃時代的四篇鉅作，讓物理學在這一年中獲得了巨大的進步，其中在"Concerning an Heuristic Point of View Toward the Emission and Transformation of Light " 一文中^[1]，首先提出了「光量子」的概念，即光是由離散的粒子組成，而非以往認為的連續電磁波。除此之外，西元1900年普朗克(Max Planck) 發表的黑體輻射定律，就提到了某種能量量子化的概念（不像愛因斯坦認為光的量子化，而是某種原子振動的能量量子化）。而在愛因斯坦之後，陸續有波耳(Niels Bohr)解釋了氫原子的不連續光譜、德布羅意(Louis de Broglie) 提出了物質波的概念等等，建構了「舊量子論」。到了1925年後，海森堡(Werner Heisenberg)、波恩(Max Born)、薛丁格(Erwin Schödinger)、狄拉克(Paul Dirac) 等許多物理學家陸續建構出了現今的「量子力學」。

一個實驗

           前面提到了許多物理學家對於量子力學發展的貢獻，那有什麼簡單的實驗可以讓人感受到與常理相悖的量子力學呢？為此，將先介紹著名的 Stern-Gerlach (SG) 實驗。

裝置

[序] 量子這玩意

「量子」一詞對大家或許是既熟悉又陌生，從課本中提到過的量子論、聽理科朋友抱怨又快被當的量子力學、到最近中國發射的墨子號「量子衛星」^[1]、新聞報導哪間公司在「量子電腦」有了新進展⋯⋯似乎最熱門的科技話題總是離不開量子——所以說，量子到底是什麼？

量子是什麼

這個問題以後再說吧，先來看看 Quantum Stuff 想要說些什麼。

Why Quantum Stuff

量子科技發展日漸蓬勃，但對於多數人而言，要獲得相關知識並不容易——網路新聞常有標題聳動、看完依舊不知所云的科技新聞；而直接閱讀教科書或論文又太不切實際。因此 Quantum Stuff 希望提供一個難度適中、主題多元的網站，能讓不同領域的人都能對現在的量子技術，例如量子通訊、量子計算、量子密碼等等，有更多的了解。

文章&主題

為了讓讀者更好掌握適合自己的內容，文章會分成基礎、中等、深入三種標籤。「基礎」難度的文章不用太多數學，主題偏向科普、相關領域的發展介紹、基本物理知識的介紹等等。「中等」難度的文章會稍微多一些數學、比較適合有微積分、普物、基本量子物理基礎的讀者，會著重在「深入」難度文章的基礎知識。而「深入」難度的文章較適合有一定數學、物理基礎的讀者，包含更深入的理論、以及某些研究領域的介紹等等。至於文章的內容，可能涵蓋量子計算、量子電腦的發展與應用、量子密碼、以及(白話的)介紹論文等等。

[後記]

筆者是第一次寫這種類型的部落格，如讀者對文章有任何主題選取、難度安排、內容完整性等各方面的意見，歡迎留言指教或討論。另外，理想中 希望一兩週發一篇文章，但因為筆者還有學校課業要顧，如無法準時發文還請見諒 QQ