作者：劉家齊
編輯：施麗釵｜量子線上學院特約編輯
審閱：鄭原忠 ｜臺灣大學化學系教授
量子力學是一個用來描述微觀世界的理論，常被視為近代物理學的開端。近年來，量子力學的理論被運用在許多地方上，包含被譽為「下個世代運算工具」的量子電腦(Quantum computer)。相較於傳統電腦，量子電腦可在短時間內處理極大量的資訊。量子電腦的技術主要涉及三個概念——「量子疊加 (Quantum superposition)」、「量子糾纏(Quantum entanglement) 」與「量子干涉(Quantum interference) 」。本文將針對「量子疊加」作更進一步解釋。
1. 思想實驗—薛丁格的貓
在說明量子疊加之前，先舉一個歷史上著名的思想實驗—薛丁格的貓。在這個想像實驗裡， 將一隻貓和毒氣瓶放入一個密封的箱子中，箱子中有一個偵測器，若偵測器接收到衰變粒子，此毒氣瓶就會被打破，並釋放毒氣導致貓死亡，反之，若沒有接收到衰變粒子，貓將會存活下來。因此在箱子未被打開前，我們會說貓處於生與死的疊加態。
2. 量子疊加
相較於古典力學中，一個系統只能處於一種物理狀態，在量子力學中，系統具有不確定性， 也就是一個系統可以處於各種不同物理狀態，而且各種可能性同時存在，這種不確定的狀態稱為「疊加態」。以硬幣為例，在古典力學中，硬幣只會處於兩種狀態，不是正面就是反面，但在量子力學中，硬幣就好比在旋轉一樣，同時表達正面與反面的各種可能性，也就是處於正面與反面的疊加態。
3. 測量(Measurement)與塌縮(collapse)
在上述薛丁格的貓的實驗中，我們尚未觀察箱子內結果前，貓正處於一個疊加態，然而一旦我們打開箱子觀察時，疊加態就會消失，只能看見兩種結果：活的貓或是死的貓。如果以硬幣為例，就像是旋轉的硬幣被手壓住後，只剩下正面或是反面的可能。也就是說，一個粒子在測量前將是多種狀態的疊加，但當我們測量後，它就會根據疊加的機率，變成其中一種古典狀態，而這種現象稱為塌縮。
4. 應用—量子計算(Quantum computing)
傳統電腦的運作需要依靠「位元(bit)」，位元僅存在 0 或是 1 兩種狀態，而在量子電腦中用的是 「量子位元(qubit)」，因為其具有量子疊加的特性，可以處於 0 和 1 的疊加態。舉例來說，若是擁有 2 個量子位元，我們就能夠表達 00、01、10、11 四種狀態的疊加態，但如果是 2 個古典位元，就只能表達四種狀態之一，若我們將數量放大到N個量子位元，量子位元能表示2N 個狀態的疊加態。疊加的特性使量子電腦在處理特定問題時運算速度比傳統電腦快速。然而由於量子態十分容易受到干擾，並且以目前的技術還無法維持穩定的量子態，因此目前的量子電腦仍處於發展的階段。
資料來源
- Quantum superposition – Wikipedia
https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_superposition - Qubit – Wikipedia
https://en.wikipedia.org/wiki/Qubit - 量子力學，真實存在的異世界| by Godfrey Leung | Medium
https://medium.com/@godfrey.leung.cosmo/量子力學-真實存在的異世界-6aa7ccdee316 - 量子電腦為何比傳統電腦強大？量子運算的發展又有哪些挑戰呢？ – PanSci 泛科學
- learn-quantum.com
- K. K. Berggren, “Quantum computing with superconductors,” in Proceedings of the IEEE, vol. 92, no. 10, pp. 1630-1638, Oct. 2004, doi: 10.1109/JPROC.2004.833672
