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爱因斯坦会如何看待量子运算?

  • 詹益仁

爱因斯坦对于量子纠缠的机率性假说是无法接受的。

这阵子重读了爱因斯坦的传记,从学生时代开始就著迷于爱因斯坦与量子力学哥本哈根学派的论战。爱因斯坦对于量子纠缠的机率性假说是无法接受的,他说这如同是「鬼魅似的远距作用(spooky action-at-a-distance)」,虽然这个假说在1980年代获得证实。因此基于量子纠缠所衍生出来的量子运算及量子通信,如果爱因斯坦仍活在世上,他必定也是无法接受一个由不确定的体系所衍生出来的工具,爱因斯坦以「上帝不会掷骰子」,留给世人一个他对于科学信仰上的坚持。

爱因斯坦认为宇宙万物间能和谐的运行,其背后一定是有一套优雅、简洁而且明确的理论在主宰。他在1905所发表的特殊相对论,基本上是将时间与空间结合在一个方程序来处理;而之前的牛顿力学,时间与空间是彼此独立的。1915年爱因斯坦所发表的广义相对论,在一个理论架构下,把质量也涵盖进来,因此物理上三个基本量,质量、长度(空间)、时间,全被集成在广义相对论的理论架构下。他的晚年更致力于统一场理论,意图将电磁作用力与重力集成在一个理论的架构下,爱因斯坦在临终的前一天还孜孜于统一场理论,这件伟大的理论至今都无人能完成。

近代物理基本是建立在量子论与相对论之上,而这些突破的进展是根源于更早期文艺复兴时期实证主义的兴起。实证主义相较于中世纪的形而上哲学,要求必须经由观察的结果,才能推演出可被接受的定律,也就是实验上的发现才是真的。这也是为什么伽利略要到比萨斜塔做自由落体的实验,以推翻原先越重的物体会越早落地的假说。所以量子论的提出是基于黑体辐射实验所推导出来的结果,而相对论的提出就是渊源于1887年Michelson-Morly 寻找以太(ether)的实验。

量子力学的诸多难以解释的现象,都是跟量测有密切的关系,也就是所提到的实证主义。就以波跟粒子的双重性来说,在量子的世界里如电子及光子,我们唯有经由量测其物理量才能确知其是否存在及其状态。但是在人类的感知经验中,粒子与波动的行为是我们认知中所能理解的,因此我们用波动的实验方式去量测,光子与电子就呈现波动的行为;若以粒子的方式去量测,它们就呈现出粒子的行为。

但是量子的行为究竟为何?我们若不经由量测是不可考的,而量测又受限于人类感知所能理解的上限,也就是波与粒子的个别行为,所以这真是件很无奈的事。就如同量子力学大师海森堡所说的:「我们观察到的不是自然的本身,而是自然对于人类探索方法的回应。」在实证主义的主导下,加上量测上的限制,导致了量子力学中的测不准原理以及机率性的假说。这些现象唯有在量子尺度内才会发生,不会存在我们日常的世界中,所幸虽然有这些的局限,量子力学的诸多预测,也都被实验证实其准确及有效性。

接著我们来谈量子运算。量子运算是渊源于所谓的量子叠加(superposition)及量子纠缠 (entanglement)所形成的。在一个二状态(two states)的系统内,其计算能力与计算的位元数(bit)N,是呈现2xN的关系;但若是在量子计算的国度内,这关系式是就成为2的N次方了,由此可见其计算能力之强大。但是要维持量子纠缠需要非常小心,稍微有一点点外力的干扰,就会破坏了量子纠缠,因此必须在非常低的温度以及隔绝的环境下进行。

甚么是量子纠缠呢?我们可用两个简单的例子来说明,在高速公路上如果前方发生事故,后方必定大排长龙,一但事故解除,车子会从最前端逐渐疏解到后端,因此最后端的车子须等一段时间后才能启动,这种一部启动接著下一部车跟著动,就是我们现行计算机运算的方式。倘若这条长龙的车辆是彼此纠缠的,那么在事故排除的当下,所有的车子都可以一起启动了,这所展现出来的效益是巨大的。又如同在一个平面的水床上,若散布了许多的小球,而每一小球的上下运动,都会连动到到其它小球,这些小球经由这水床是彼此纠缠而相互影响的。

经由纠缠的量子运算,是比传统的计算方式更能够同时处理大量的信息,进而做资料的比对、判断及优化,找出更佳的解决方案,而在这个过程中是允许有机率的存在。所以不同于现今的计算方式,量子运算并不存在准确的数值计算逻辑,所以也不会完全取代现行的计算机计算;个人认为量子运算的方式可以几乎等同于人工智能。

爱因斯坦曾说过,我们面对自然要绝对的谦虚,就如同小孩子般。而他也说「没有宗教的科学,是不具有说服力的」,这就是他的信仰。他始终不认同量子力学中机率性的假说,因为爱因斯坦认为这不是终极的理论。不能因为它有一定的准确性,而将此视为永世的圭臬。这也使得爱因斯坦的晚年在学术界非常孤单,人们称他为最后一位伟大的古人。所幸人类经过了整整一百年的努力,终于在2015年发现了重力波,证实了爱因斯坦在1915年所发表广义相对论的预测,而这位伟大的古人也必定永垂不朽!

曾任中央大学电机系教授及系主任,后担任工研院电子光电所副所长及所长,2013年起投身产业界,曾担任汉民科技策略长、汉磊科技总经理及汉磊投资控股公司执行长。