跑贏Google九章厲害團隊曝光：一群90後最小23歲

中美科技戰鬥到量子力學領域。中國科學院研製量子電腦原型機「九章」問世，號稱比美國Google去年曝光量子電腦再快100億倍，真正意義上涉足「量子霸權」。量子電腦以量子力學為理論和技術基礎，有潛力破解一切傳統電腦加密技術，改寫遊戲規則。量子力學也「出名難懂」，但量子力學其實與半導體、電腦、醫療、核能等日常科技息息相關，甚至可以說是我們生存在地球上的基礎。

說起量子力學，大家可能首先想起占士邦《量子殺機》，或許也聽說過真正與量子力學有關，那隻可以同時生存和死亡的「薛定諤貓」。究竟量子力學是甚麼？量子電腦又是怎樣打贏傳統電腦的？

• 量子科技是甚麼？

簡單地說，量子科技（quantum technology）是以量子力學（quantum mechanics，又稱量子物理學 quantum physics）為基礎的技術，而量子科學是研究微觀世界的科學，描述宇宙之中最細小的物質。

• 微觀世界？

這是我們肉眼看不見，但就在萬物之中的世界。看看你的手，想像如果一直放大，超過了毛髮，超過了細胞，再放大就會到了分子、原子，以及組成原子的亞原子粒子，亦即質子、中子、電子、介子、夸克等等。世上任何物質，不論是一塊石頭、一滴水以至空氣，放大到最後都是這樣。

量子力學就是質子、中子、電子等亞原子粒子層面的物理學，研究他們如何運作、如何互動。

• 量子力學為何「出名難」？

因為微觀世界之中事物的運作，往往是我們日常生活覺得是異想天開，「不合邏輯」的，然而微觀世界卻又的確是這樣。

量子力學的不少東西都是抽象的，科學家平常都用數學予以描述，但我們還是可以用比喻來說得形象化一點，例如那隻「又生又死」的「薛定諤貓」。

• 薛定諤貓是甚麼？

這是一個假設性的思想實驗，要大家開個腦洞。薛定諤貓（Schrödinger’s cat）是一隻藏在外人看不到裏面情況盒子裏的貓，假設盒裏有足夠空氣和糧水，但設有機關，在一段時間後有50%機會放出毒氣。

那麼在一段時間以後，根據量子力學，這隻貓會同時處於還在生存，以及已經死亡的疊加態（superposition），而不是如日常生活我們預料的50%機會存活、50%機會已死。

更離奇的是，同時生存及死亡這疊加態，是我們無法觀察到的，如果打開盒子，就只會見到一隻在生或已死的貓。

• 這跟量子力學有何關係？

量子力學所研究的亞原子粒子，性質就是處於疊加狀態，同時有多種看似矛盾的設定，但外界一旦「打開盒子」觀察，疊加態就會塌縮，只剩其中一種狀態。

• 開玩笑嗎？

說過了，量子力學運作，與我們日常生活面對的牛頓力學截然不同，在我們的日常世界是「不合邏輯」的，只適用於微觀世界。

• 好吧，那又怎樣？

量子力學當中，粒子都具有波（wave）的特性，但不同於具象的聲波或光波，粒子的波要用數學抽象表達出來，這個性質稱為「波粒二象性」（wave–particle duality）。

若形象地說，就是若粒子是個圓球，把圓球投入水，就會產生漣漪向外擴散，而漣漪就是波。

現在想像一下，在水中插一枝木棍，漣漪到達木棍時，所有漣漪都會消失，而圓球會從木棍上方「變」回來。

• 我好像開始明了…

對的。圓球的最終位置，就好比粒子的位置、動能等特性。在我們觀察（插木棍）前，圓球同時在漣漪內的任何一處，粒子的特性處於疊加態，我們一旦觀察，疊加態就會萎縮，隨機變成其中一種狀態。

量子力學就是要研究粒子特性的隨機性質，而這微觀世界中的隨機，事關日常世界一切物質，科學家也認為隨機似乎是宇宙的基本性質之一。

• 量子力學有何應用例子？

太陽發光。太陽光是地球生物能量來源，沒有太陽光地球絕大部分生物，包括人類都活不成，而太陽發光背後其實也涉及量子力學。

太陽實際上是個核聚變反應堆，不斷將兩個氫原子結合為一個氦原子，過程中釋放能量。在日常（非微觀）世界中，兩個原子中的質子接近時會相斥，無法結合。

但在微觀世界之中，有些質子根據量子力學原理，性質有所不同，使兩個氫順利變成一個氦，核聚變得以發生，太陽能夠發光，我們也方能活着。

此外，量子力學也影響着矽（silicon）的性質，這是製造半導體、芯片（晶片）必須材料，是為電腦科技與現代社會的基礎。

醫療診斷的核磁共振技術（MRI），就是利用人體水份之中的氫原子共振來形成影像，背後特性也少不了量子力學。類似例子其實還有很多，包括激光、LED燈、相機感光元件等等。

• 量子電腦是甚麼？

傳統電腦的數據，不論是文字聲音或影象，歸根究底全部由「0」和「1」的位元（bit）組成，這也是電腦運算的基礎。

量子電腦數據的基本單位則是「量子位元」（qubit），這會同時處於「0」和「1」的疊加態。由於量子位元同時有不同「身份」，因此量子電腦的運算速度要比傳統電腦高得多，能做到傳統電腦不可能在合理時間內完成的工作。

量子電腦在短時間之內，就能完成傳統電腦理論上需要工作多年的運算，這種速度意味現存的加密技術會馬上喪失功能，並會改寫所有電腦相關領域的遊戲規則。

• 中美量子電腦技術現況如何？

全球量子電腦研究目前還在實驗層面，未足夠真正應用。

Google、微軟、英特爾等美國科企有先發優勢。Goole去年10月公佈，一個54個量子位元的量子電腦原型機「懸鈴木」（Sycamore）。該機只需200秒，就能完成傳統超級電腦要1萬年方能完成的工作，實現了「量子霸權」（quantum supremacy）。

中國也尋求在量子電腦技術方面達領先水平，2016年已發射了世界首枚量子實驗衛星「墨子號」。中國科學院2020年12月初更宣佈，量子電腦原型機「九章」問世。據報道，「九章」是76個光子、100個模式的高斯玻色取樣量子電腦原型機，速度比現時全球第一（傳統）超級電腦，日本「富岳」（Fugaku）快100萬億倍，亦比Google「懸鈴木」快100億倍。

不過，量子電腦技術只是處於起步階段，後續發展還陸續有來。「九章」的紀錄相信不久後就會被打破，中美量子爭霸戰現在才剛開始。

（经济日报）