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國立成功大學

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成大物理系為開放性量子系統理論闢新徑 論文登Nature Communications

「量子電腦」具備強大的平行運算能力,全球學界、業界競相投入研發。量子電腦運算能力強大的關鍵在於,量子疊加態與量子關聯性的建立與驗證。不過,量子疊加態與量子關聯性這些特殊的量子特性極脆弱,易受破壞,最後完全消失。成大物理系教授陳岳男與工科系助理教授陳宏斌發展出一套「消相位動態過程的量子性檢測與驗證法」,除用於量子電腦,還能擴大於其他類型的量子系統,為開放性量子系統理論闢出新徑。研究成果2019年8月登上國際頂尖期刊Nature Communications(自然通訊)。https://www.nature.com/articles/s41467-019-11502-4

 

陳岳男、陳宏斌與日本理化學研究所(RIKEN)、韓國高等技術學院(KAIST)、交大的學者們近年來組成研究團隊,共同研究量子系統的消相位過程與亂序(disordered)環境影響下的關係。「消相位動態過程的量子性檢測與驗證法」論文,陳岳男是通訊作者,陳宏斌是第一作者。

 

量子電腦運算速度極快,傳統電腦要花數10年才能解決的問題,量子電腦可能1天就能達成。不過,目前世界上都還在找尋量子電腦的關鍵應用,一般推測,也許可以在機器學習分析、材料開發、加密演算等發揮優勢。隨著量子科技的發展,量子力學的概念也逐漸被認識,甚至走入電影情節。

 

陳岳男教授指出,量子電腦的最基本單元是量子位元(qubit),量子位元需處在量子疊加態(quantum superposition), 即單一量子系統可同時處於不同的物理狀態,因此不同狀態的量子操作可同時運作,以完成高速平行運算。此外,多個量子位元之間也要建立起穩定的量子關聯性(quantum correlation),例如量子糾纏(quantum entanglement),以確保量子資訊在各量子位元之間能夠達到高效傳輸。量子電腦運作原理,便是透過操作及運用這些特殊量子的特性,實現高速運算的目的。

 

陳宏斌指出,量子電腦最大的技術瓶頸之一在於,量子疊加態、量子位元之間的量子關聯性等,都很容易受周遭環境影響而破壞,最後完全衰退消失,此過程稱為消相位。一旦發生消相位過程,量子電腦便失去了高速平行運算優勢,運算速度大打折扣。

 

在真實的物理實驗,一個量子系統無可避免會與其周遭環境交互作用,但這並不易藉由測量、操作與驗證得知。可是與環境交互作用又是量子系統發生消相位過程的主因。陳宏斌提出以哈密頓量係綜集合(Hamiltonian-ensemble)法,去模擬消相位過程。研究結果證實,可以用此一模擬法偵測出來的量子系統,一定是具有量子特性,此一研究成果在2018年1月刊登於Physical Revies Letters(物理評論通訊)。

 

證明「哈密頓量係綜集合模擬法」的可行性後,陳宏斌希望這套理論,不僅能用在量子電腦,還能應用到其他類型的量子系統,於是將理論做了一個形式上的改寫,將一般用時間來描述與探討消相位過程,轉換到頻率空間去描述探討,此一創新的改寫,為開放性量子系統理論開闢出新的研究路徑。這次論文更進一步登上Nature Communications(自然通訊)。

 

陳岳男教授表示,「消相位過程」對量子系統影響極大,陳宏斌老師提出的「哈密頓量係綜集合模擬法」以及進一步將理論改寫,推廣到更大的應用範圍。此一研究成果將有助於台灣掌握建立量子電腦,與發展量子系統關聯性的檢測技術,意義重大。

 

陳宏斌自大學到博後,都在成大物理系學習與訓練。研究所起跟隨陳岳男教授, 2019年8月獲聘為成大工科系助理教授。對於陳宏斌的表現,陳岳男教授大為稱許,「默默累積實力,初期不見鋒芒,但一路走來如倒吃甘蔗,展現出強大的爆發力與一流的研究成果」。而且讓當老師佩服的是,陳宏斌以高深的數學來解決物理問題,不是用物理來研究物理問題,「這個厲害,青出於藍。」

 

陳宏斌透露,其實研究所期間自己並不出色,一度考慮是否該離開學術研究圈,但因喜歡做研究,再加上陳岳男老師以開放的方式指導學生,放手讓學生以適合自身的步調與方式做研究,當初提出以數學方式來研究量子系統理論,非以物理方法來研究,老師也很尊重,若非老師給學生很大的空間,一些創新想法可能會被壓抑,那麼現在自己大概還是研究做得很普通的博後吧。

 

陳宏斌說,會做量子電腦研究來自一個國際學術交流機緣,2016年偶然機會發現自己做的研究與日本理化學研究所做的研究,主題完全不同,卻有共同的物理現象,驚訝之餘,雙方開始合作試著去解答「為什麼」,沒想到做著做著,就走入進入量子系統領域。研究過程多次遇到很難用物理來處理的複雜問題,由於自己很喜歡數學,大學時又輔修數學,靈光一閃試著用抽象的數學來研究,就這樣一步步走出困境,做出滿意的結果。 (撰文/孟慶慈 圖片/新聞中心資料、陳岳男、陳宏斌提供)

維護單位: 新聞中心
更新日期: 2019-09-11
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