「反轉再反轉」原理 助圓量子電腦夢

http://paper.wenweipo.com/2011/07/07/ED1107070017.htm

量子電腦（Quantum Computer）被譽為未來世界的電腦革命，理論上，現時最快的超級電腦需要花數以億年處理那極端複雜的排程運算，量子電腦或有機會在瞬間完成，堪稱計算機科學的神話！香港中文大學物理學系副教授劉仁保與中國科技大學合作的研究團隊，最近成功在日常溫度及環境下以微波脈衝，將物質「反轉再反轉」達7次，延長其量子狀態的「壽命」近800倍，讓其有足夠時間處理訊息。建基於有關技術，科學家可望發展出供量子運算的電腦硬件，讓人類邁進電腦新世代。a

　當今超級電腦的運算速度越來越高，已達每秒數以千萬億次，但若和科學界理論中的量子電腦比較，卻仍差天共地。據科學家指出，傳統電腦的運算速度，基本上都是隨運算單位數量按比例增加，但量子電腦卻是基於尖端的量子物理理論，以另一完全不同的機制，讓運算速度以幾何級數提升。

量子電腦1分鐘 抵超級電腦10億年

舉例來說，傳統電腦1個單位可進行1次運算，2單位2次，3單位3次，但量子運算則可以是1單位1次，2單位4次，3單位8次，如此類推。科學家更曾推算，如要分解500位（500個數字）的自然整數，現有超級電腦要數以10億年時間處理，同樣運算單位的量子電腦或只需要1分鐘。然而，研究量子電腦的先決條件，需要有效利用物質的量子狀態，但處於量子態的物質，卻會隨機向不同方向突然變化，出現「消相干（Decoherence）」的不穩定情況，量子態於極短時間內消失，根本沒有足夠時間處理量子訊息，更遑論作出有效運算
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拖延「消相干」出現 保處理量子訊息

為延長量子態的存在時間，劉仁保的研究團隊成功活用了「反轉再反轉」原理，減少量子態隨機變化所造成的影響，拖延「消相干」出現的時間。劉仁保並以賽跑比賽比喻指，每個量子單位就像一名選手，雖然他們是同步起跑，但各人的跑速隨機地分布，有快有慢，很快便會前後散開；而一旦「選手們」散開，即為「消相干」狀態，量子態會消失，不能處理任何量子訊息。所以為讓各「選手」維持幾乎同步而行，相距不能太遠，研究團隊便改變賽跑規則：大會在起跑後發出訊號，選手即要轉向相反方向跑。如是者，原本因跑速快而領前「越帶越遠」的選手，突然變成「包尾」，並從後以高速追趕，可望收窄落後的距離。若從整批選手的角度看，此舉可讓各人暫時穩定地維持於一定距離內，要更長時間才會前後散開。

30微秒穩定 為製量子電腦奠基礎

在實驗中，劉仁保與中科大教授杜江峰的研究小組合作，巧妙地利用微波脈衝，把固體材料胡蘿蔔酸晶體（malonic acid crystal）裡電子自旋的量子態「反轉再反轉」共7次之多。此舉成功將量子態的穩定時間，即其「壽命」，由0.04微秒（10-65，百萬分之一秒）大增750倍至30微秒。劉仁保指，對量子訊息來說，30微秒已可做出大量的運算工作，有關實驗結果，可望開拓製造量子電腦實體的新啟示，而是次實驗更能在常溫下運作，為未來製作量子電腦奠下基礎。