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量子電腦快要問世了?!量子電腦計劃大揭密——《物理雙月刊》

物理雙月刊_96
・2017/07/26 ・2555字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 538 ・八年級

譯者/林中一|國立中興大學物理系教授

第一批的量子電腦已經快要問世了。在紐奧良召開的 2017 美國物理學會三月大會的第一天一大早,來自谷歌 (Google)、微軟(Microsoft)、和哈佛大學的研究者們就在一個擁擠的房間裡,向擠在裡面的物理學者們討論他們最近在量子電腦方面的成果以及他們對這個還不太成熟的技術的近程計畫。

來自谷歌的量子電腦主教級大師約翰.馬丁尼斯(John Martinis)提出了他們公司的「延伸目標」是在今年底建造及測試一台 49- 量子位元(qubit)的量子電腦。這個電腦所使用的的量子位元是由超導線路製作。每一個量子位元將被定在一個二元狀態系統的某一個精確的量子態。這次的測試將成為量子電腦技術的里程碑。接續在馬丁尼斯之後,也是來自谷歌的舍吉歐.布埃索(Sergio Boixo)接著說明,他說一個大約 50 個量子位元的量子電腦就可以在執行某些困難任務的速度上超過最快的古典電腦。

學者們說,在像解決質因數分解或者精確模擬有機分子這一類計算超繁瑣的問題時,量子電腦保證在速度上會有指數的增長。這是因為「量子糾纏」:如果你預備了相互糾纏的量子位元,那麼你就可以同時操作好幾個狀態。

一個 0.6 公分乘 0.6 公分大小、被稱為「transmon」的量子位元原型,是谷歌在 2014 年運用超導線路做出來的,而谷歌將會使用 49 個更新版的這一型的量子位元來執行即將進行的量子電腦測試。圖/Michael Fang

為了顯示他們的 49- 量子位元電腦真的有用,馬丁尼斯的團隊會將這些量子位元植入一個晶片,先精確的定好量子位元的初始量子態,然後透過外加的電位來控制量子位元的狀態演進。最後,他們會將測量到的量子位元狀態和一個針對該實驗所做的理論模擬結果相比較(這個理論模擬的計算是使用一個古典的超級電腦來做的)。如果兩者相符,那就表示研究團隊的確能夠操控量子位元的量子態演化,也就表示他們可以進行量子計算!

這個示範並不對應於任何有用的計算工作,他只是要表現他們能夠確實掌控他們的的量子位元。「由於這個實驗牽涉到的是隨機演算法,所以那個演算法不會有什麼實際的用處,」馬丁尼斯說:「但是我們仍然可以將輸出的實驗結果和電腦模擬的結果做非常精確的比對,而確定實驗和理論是彼此吻合的。」

面對年底即將來臨的挑戰,雖然他們終究必須搞清楚所有的細節,但是馬丁尼斯他們對於設計那個49- 量子位元的電腦已經有了大的圖像。由於研究團隊已經成功的建造而且測試過了 9- 量子位元版的量子電腦,馬丁尼斯說:「我們事實上對於這個任務大大小小的部分,感覺都還頗為自在。」

在製作 49- 量子位元版的電腦之前,團隊會先將系統擴充至 20 或 30- 量子位元。將一座量子電腦容量加大一倍有點像從已經掌握的單核電腦技術去製作一台雙核的電腦。馬丁尼斯說:「你當然必須顧慮到會出現有些交互作用,但是你一旦知道怎麼去做一個,那麼去做兩個之後再把他們兜在一起就不是太難的事了。」

除了量子電腦牽涉到新的問題,那些所有實驗都會遇到的麻煩在這個工作裡也都會碰到。「我們有 120 條線路要接到我們量子位元所在的那個晶片,而且他們全部都不能出錯,」馬丁尼斯說道:「當然,差錯大概很難免,而某些個硬體也可能會失靈。」除此之外,控制雜訊也是一大挑戰:越多個量子位元等同於更大犯錯的空間。

圖/By Anemone123 @ Pixabay

即使有了 49 個量子位元,這一台量子電腦仍然離廣泛的使用有相當距離。要製造一台能取代你研究室所用電腦的「通用的」量子電腦,馬丁尼斯說道:「你需要百萬個量子位元!」

除此之外,當量子位元的製備或控制如果出現甚麼瑕疵的時候,一台通用的量子電腦需要能夠從中自行除錯。但是除錯的機制不是簡單直接的。古典電腦的除錯方法需要複製數據,然而依據基本的「不可克隆定理」,量子態是無法複製的。有學者提出過量子除錯的演算法,但古歌電腦還將不會使用那些演算法。

即便如此,學者們認為這種 49- 量子位元尺度的量子電腦仍然可以執行一些特定的任務,特別是化學方面的問題。哈佛大學的艾倫.亞斯普魯-辜吉克教授(Alán Aspuru-Guzik)就提到使用量子電腦來設計新材料的分子。舉例來說,他就想要來模擬製作太陽電池的有機光伏材料。

目前,古典電腦只能近似的來模擬分子的量子特性,但是量子電腦基於其內在的量子性使得量子電腦能夠對這些特性做精確的模擬。亞斯普魯-辜吉克教授就花了好多年在思考如何將這些化學模擬的方法轉換為量子電腦能夠讀而且操作的形式。

與會的演講者們也提出了執行近程計畫的流程。微軟的克萊斯塔.司福耳(Krysta Svore)講到了甚麼樣的量子軟體架構能夠容易的撰寫及編譯電腦程式。亞斯普魯-辜吉克教授討論了一種模擬模型系統的演算法,這種演算法結合了量子電腦與古典電腦的使用,他說:「你需要安排這些電腦各司其職,讓他們做他們最擅長的事。」

在其他的議程裡,研究者們呈現了多種量子位元的實驗進展-不只是超導體類的,更有半導體類的,例如矽量子點量子位元。瑞吉提計算公司(Rigetti Computing)的研究者提出了一種方法,能夠大尺度的將超導量子位元置入晶片上的積體電路。一個加拿大滑鐵盧大學(University of Waterloo)馬提耳.馬力安多尼教授(Matteo Mariantoni)所領導的團隊發表了一種避免量子位元出錯的方法:用銦元素覆蓋住鋁超導線路就能將量子位元屏蔽起來

但是這些屏蔽效應卻反映了一個量子位元操控上的基本挑戰。如果想要持續保留資訊,一個量子電腦裡的一個量子位元必須要能長時間的維持在其量子態。「最佳作法就是將那個量子位元與外界隔絕開來,」馬丁尼斯說道:「但是這樣子會使得量子位元之間無法互動來執行計算。」

在上個月的「自然」雜誌 (Nature)刊出的文章裡,谷歌團隊就預測了大約再過 5 年的時間,工業界將能夠讓小型且用在特殊用途的量子電腦商業化。馬丁尼斯說道:「如果我們能做出一些有用而且商業上是可行的東西,那麼就會有資金投入來建立而且擴展這個工業。」

原始出處


 

 

 

 

本文摘自《物理雙月刊》39 卷 6 月號 ,更多文章請見物理雙月刊網站


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為什麼吃甜的會蛀牙?——《生活中的東西都可以寫成化學式》

快樂文化
・2022/05/09 ・1404字 ・閱讀時間約 2 分鐘

來談談我們的敵人——蛀牙。

蛀牙的化學物語

導致蛀牙的主要原因有兩個。前面提過的蛀牙菌是其中一個因素,而蛀牙菌具體的名稱為「轉糖鏈球菌」,據說這種細菌常在孩童約三歲以前經由大人傳染,原因包括使用父母用過的筷子和湯匙,或輪流喝飲料等;另一個因素就是食物中所含的糖分,主要成分為「蔗糖」。

這兩個因素結合在一起時,就會發生以下情況:首先,轉糖鏈球菌利用蔗糖製造一種稱為「葡聚糖」的分子。葡聚糖的化學式為(C6H10O5)n,後面會再詳細說明。葡聚糖附著在牙齒表面,會成為轉糖鏈球菌的棲息地。此外,口腔中的其他細菌(根據統計,口腔中的細菌有 600 多種)也會混入其中。

這些附著在牙齒上的組合物稱為「牙菌斑」,有時也被稱為「齒垢」或「生物膜」(biofilm,又稱菌膜)。你可能在牙膏等的廣告中有聽過這些名詞。

之後,獲得棲息地的轉糖鏈球菌會產生大量的「酸」,引發去礦質作用,最終導致蛀牙。這個過程如下列所示。

轉糖鏈球菌生活在溫暖的葡聚糖裡,並分解出乳酸;事實上它們也會分解出醋酸,及一種稱為甲酸(HCOOH)的酸,但乳酸所佔的比例較高。這些酸會引發強烈的去礦質作用,溶解牙齒並造成蛀牙。

在這種情況發生前,必須好好刷牙,以澈底清除黏附在牙齒上的牙菌斑(葡聚糖+細菌)!即使是漱口,具黏性的牙菌斑也不易脫落,最有效的方法還是好好刷牙。而牙膏中含有研磨劑(可幫助去除汙垢的顆粒),能有效去除黏黏的牙菌斑。

不易蛀牙的甜食

上個單元我們說明了糖是如何引起蛀牙的。事實上也有一些分子的味道就和糖一樣甜,但卻不太容易引起蛀牙,其中最有名的分子之一就是「木糖醇」,你可能有聽過加了木糖醇的口香糖吧!這個分子的化學式為 C5H12O5,詳細的結構如下圖。

為什麼木糖醇味道甜甜的,卻不容易引起蛀牙呢?在回答這個問題前,我們先回想一下為什麼蔗糖(糖)會導致蛀牙。蔗糖是轉糖鏈球菌用來製造葡聚糖的材料,而反應過程中產生的果糖,會被轉糖鏈球菌做為養分來源,並分解出乳酸分子。

那木糖醇呢?首先木糖醇不像蔗糖是製造葡聚糖的材料,另外轉糖鏈球菌不會把木糖醇當成養分來源,所以也不會分解出乳酸。因此它們的味道雖然很甜,但卻不容易引起蛀牙。

這裡出現了一個問題。木糖醇和蔗糖的結構看來截然不同,但為什麼味道也是甜甜的呢?若像下圖一樣,稍微改變一下木糖醇的畫法,就會發現它的結構與構成蔗糖的葡萄糖和果糖很像,具有許多羥基這點也非常相似。

——本文摘自《生活中的東西都可以寫成化學式》,2021 年 11 月,快樂文化


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