「量子」是什麼?

007 電影曾經演過「量子危機」( Quantum of Solace)續集,但看完只想問:「量子的部分是……?」各位觀眾,本文帶你前進中研院物理所的「量子電子元件實驗室」,一起和量子變得熟一點!

實驗室成員陳則言、邱俊傑,向參訪民眾說明量子電子元件的製程與設備。圖/張語辰

「……好,大家有沒有問題?」聽完實驗室介紹,現場大多為高中生的參訪者摸下巴思考,試著消化剛獲得的知識。因為學校課本教的是「古典力學」,而「量子力學」則是新的領域。

「古典力學」裡,能量與動量是連續可變的參數;但在「量子力學」裡,它們不是連續的,其中最為人所知的例子之一,就是不連續的氫原子能階

什麼是能階呢?我們先從最基礎的原子模型來入門。

「原子」組成,包含原子核心的「質子」 與「中子」, 和環繞著原子核運行的「電子」。 資料來源/進入原子的世界;圖說重製/張語辰

這些環繞的電子,較接近原子核的能階較低(lower-energy level)、狀態較穩定;而離原子核較遠的電子,能階較高(higher-energy level),宛如愛動來動去、能量十足的小朋友。

按照氫原子或類氫原子的波耳模型,當環繞的電子從「能階較高」的軌道,躍遷到「能階較低」的軌道時,會以電磁波的形式釋出能量差。資料來源/WillowW;圖說重製/林婷嫻、張語辰

現在使用的電腦都是二進位,也就是每一個位元僅能在 0 與 1 之間挑一個,有如硬性規定電子僅能在原子的某兩個能階,挑選其中一個能階站。但在自然界裡,電子可能同時出現於數個能階,我們無法實際知道一瞬間氫原子的電子是處於哪一個能階,只能根據理論計算電子處於某一能階機率的高低。

我們可以將「量子位元」想成是「只含有一個電子的原子」,它容許這個電子同時處於原子的任一能階。

這種不預設立場的能階包容性,使量子電腦不同於過往二進位的電腦「非 0 即 1 」,量子電腦雖然也是使用 0 跟 1 ,但 0 與 1 可同時計算。換句話說,量子位元可以「又 0 又 1 」的狀態存在,有效率地處理非常複雜的運算,成為世界各大資訊公司、學術研究機構傾力發展的技術。

量子位元可以用「離子、光子、或電子」等量子粒子表現,其中超導量子位元因為易於製作與操作,受到極大重視。可惜「電子」很容易受到環境電磁輻射(包含熱輻射)的干擾,任何外界的干擾,都會破壞先前所提的量子位元包容性。

因此,電子量子位元的運作與量測,需要在極低溫、及嚴謹的電磁波屏蔽環境下進行。

親眼瞧瞧實驗設備──「稀釋冷凍機」裝載「超導量子位元晶片」

院區開放參觀的量子電子元件實驗室,簡單來說,就是在做「量子位元」的研究。圖/張語辰

由陳啟東研究員帶領的實驗室,實驗的量子位元對象是「人工原子」,更精確地說,是由「鋁」製的超導元件作成具有不連續能階的「人工原子」。鋁在溫度低於 -272°C 時會變為超導。

顯微鏡下的「量子電子位元晶片」,尺寸約為一根頭髮的寬度,而其核心部分約是頭髮寬度的千分之一。圖/陳啟東

量子電子位元晶片上的「人工原子」能階間距,以溫度衡量大約僅是 0.4 度,為了避免熱激發影響實驗,量測量子位元的操作溫度,需遠低於 0.4K(也就是 -272.76°C) ,趨近於宇宙中的最低溫──絕對零度 0 K(或 -273.16°C)。

實驗室使用的低溫量測系統,是以氦氣及氦同位素作為冷媒的特殊電冰箱,稱為「稀釋冷凍機」。經由循環冷卻過程,可將量子電子位元晶片的樣品冷卻至幾近絕對零度的溫度,而整個「冰箱」外層還需要以液態氦(溫度為 -268.96°C = 4 .2K)隔離室溫的熱輻射。

裝載「超導量子位元晶片」的稀釋冷凍機。從左往右圓形層的溫度為 4.2K, 0.6K, 0.1K, 0.01K。螺旋狀結構與片狀結構,為注入的高溫氣體與排出的低溫氣體的熱交換器。圖/張語辰
液態氮與液態氦容器的真空保溫容器。操作時「稀釋冷凍機」是由上方置入,外圍的液態氦與液態氮可以隔絕室溫熱輻射,並提供 4.2K 的溫度。圖/張語辰

如何量測「量子位元」?

我們不是直接測量原子本身,而是測量原子交互作用的結果。

陳啟東研究員說明,任何試圖去量測量子位元的動作,都會破壞它那種不預設立場的能階包容性,就像社區住戶不願受到外界干擾,所有外人與住戶的溝通都要透過 「發言人」才行,外人所聽到的,都是住戶與發言人溝通後的結果。

在實驗裡,「量子位元」就是這些社區「住戶」,而「發言人」就是「微波共振腔」,量測超導位元需要經由共振腔進行,得到的訊息也是位元與共振腔交互作用的結果,我們要再經由理論分析才能得知位元的資訊。

若「量子電子位元晶片」是個社區,「量子位元」就像住戶,「共振腔」是發言人,負責告訴外界原子間的溝通訊息。資料來源/陳啟東;圖/林婷嫻、張語辰

原子是如何與共振腔溝通呢?靠著磁場調控各個原子的「能階間距」,當能階間距與共振腔頻率接近時,原子就能與共振腔溝通。能階間距與共振腔頻率接近的各個原子,也都可以經由共振腔相互溝通。

在這個實驗室裡「人造原子」的能階間距,與通訊用的頻率差不多,所以實驗室裡訊號量測,使用無線通訊的微波儀器進行。量子位元的實驗操作,簡略地來說,是以微波激發能階、並操控原子,讓原子以量子態進行邏輯運算,運算後再將量子態回歸到 0 與 1 的古典態,做為運算後的答案。

很快地,30 分鐘的實驗室介紹行程結束。參觀民眾們離去後,陳啟東研究員和實驗室成員討論剛才的講解如何更有趣,並討論下回再被提問可以如何說明。

短暫的參觀行程,要讓民眾全盤了解並不容易。實驗室成員陳則言提到,曾經想為解說鋪梗,卻被聰明的國小小朋友破梗,頓時有點手足無措。然而陳啟東研究員很滿足地表示,有這個互相交流的過程最重要。

「當大眾和中研院互相了解,彼此才會有信任。」陳啟東研究員說明開放參觀的用意。圖/張語辰

路上攔截民眾:為何來參觀中研院?

走出量子電子元件實驗室後,捕獲一群來自林口國中、能階似乎開到最高的學生。剛聽完病毒主題的生科講座,想來參觀超導磁浮展示,下午預計前往生態池闖關。帶隊的許老師提到,一直都知道每年有院區開放活動,今年終於有時間帶學生來看看中研院。

林口國中同學靈活地轉動眼珠說,在這聽到的內容和學校很不一樣,有些課本沒有教。圖/張語辰

被問到今天參觀有什麼心得,吳同學真性情地表示:「中研院很容易迷路……」此話所言甚是。若中研院院區是個原子模型,也是個超級大~~~~~的原子,各位像電子跑來跑去的參觀民眾,別忘了吃點食物充飽能量,更要預留在院區各建築物的移動時間喔!