〈研之有物〉量子電子元件 hen 夯，但如何掌握像情人心難測的量子位元？
研之有物 2019-01-26 12:00
開放參觀 活動報導
2017/10/28 中研院開放參觀這天，物理所的「量子電子元件實驗室」出現一群好奇的面孔，在實驗室成員帶領下，了解量子位元是什麼、如何實驗量子電子元件晶片。
「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！
「…… 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。
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。
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
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。
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 0K (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。
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。
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。
為何來參觀中研院？路上攔截民眾
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。
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！
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