「量子電腦」具備強大的平行運算能力，全球學界、業界競相投入研發。量子電腦運算能力強大的關鍵在於，量子疊加態與量子關聯性的建立與驗證。不過，量子疊加態與量子關聯性這些特殊的量子特性極脆弱，易受破壞，最後完全消失。成大物理系教授陳岳男與工科系助理教授陳宏斌發展出一套「消相位動態過程的量子性檢測與驗證法」，除用於量子電腦，還能擴大於其他類型的量子系統，為開放性量子系統理論闢出新徑。研究成果2019年8月登上國際頂尖期刊 Nature Communications（自然通訊）。
陳岳男、陳宏斌與日本理化學研究所（RIKEN）、韓國高等技術學院（KAIST）、交大的學者們近年來組成研究團隊，共同研究量子系統的消相位過程與亂序（disordered）環境影響下的關係。「消相位動態過程的量子性檢測與驗證法」論文，陳岳男是通訊作者，陳宏斌是第一作者。
成大物理系教授陳岳男（左）與工科系助理教授陳宏斌（右）為開放性量子系統理論闢新徑
量子電腦運算速度極快，傳統電腦要花數10年才能解決的問題，量子電腦可能1天就能達成。不過，目前世界上都還在找尋量子電腦的關鍵應用，一般推測，也許可以在機器學習分析、材料開發、加密演算等發揮優勢。隨著量子科技的發展，量子力學的概念也逐漸被認識，甚至走入電影情節。
陳岳男教授指出，量子電腦的最基本單元是量子位元（qubit），量子位元需處在量子疊加態（quantum superposition）, 即單一量子系統可同時處於不同的物理狀態，因此不同狀態的量子操作可同時運作，以完成高速平行運算。此外，多個量子位元之間也要建立起穩定的量子關聯性（quantum correlation），例如量子糾纏（quantum entanglement），以確保量子資訊在各量子位元之間能夠達到高效傳輸。量子電腦運作原理，便是透過操作及運用這些特殊量子的特性，實現高速運算的目的。
陳宏斌指出，量子電腦最大的技術瓶頸之一在於，量子疊加態、量子位元之間的量子關聯性等，都很容易受周遭環境影響而破壞，最後完全衰退消失，此過程稱為消相位。一旦發生消相位過程，量子電腦便失去了高速平行運算優勢，運算速度大打折扣。
在真實的物理實驗，一個量子系統無可避免會與其周遭環境交互作用，但這並不易藉由測量、操作與驗證得知。可是與環境交互作用又是量子系統發生消相位過程的主因。陳宏斌提出以哈密頓量係綜集合（Hamiltonian-ensemble）法，去模擬消相位過程。研究結果證實，可以用此一模擬法偵測出來的量子系統，一定是具有量子特性，此一研究成果在2018年1月刊登於Physical Revies Letters（物理評論通訊）。
證明「哈密頓量係綜集合模擬法」的可行性後，陳宏斌希望這套理論，不僅能用在量子電腦，還能應用到其他類型的量子系統，於是將理論做了一個形式上的改寫，將一般用時間來描述與探討消相位過程，轉換到頻率空間去描述探討，此一創新的改寫，為開放性量子系統理論開闢出新的研究路徑。這次論文更進一步登上Nature Communications（自然通訊）。
陳岳男教授表示，「消相位過程」對量子系統影響極大，陳宏斌老師提出的「哈密頓量係綜集合模擬法」以及進一步將理論改寫，推廣到更大的應用範圍。此一研究成果將有助於台灣掌握建立量子電腦，與發展量子系統關聯性的檢測技術，意義重大。
透過量子過程斷層掃瞄可解析出消相位過程
陳宏斌自大學到博後，都在成大物理系學習與訓練。研究所起跟隨陳岳男教授， 2019年8月獲聘為成大工科系助理教授。對於陳宏斌的表現，陳岳男教授大為稱許，「默默累積實力，初期不見鋒芒，但一路走來如倒吃甘蔗，展現出強大的爆發力與一流的研究成果」。而且讓當老師佩服的是，陳宏斌以高深的數學來解決物理問題，不是用物理來研究物理問題，「這個厲害，青出於藍。」
陳宏斌透露，其實研究所期間自己並不出色，一度考慮是否該離開學術研究圈，但因喜歡做研究，再加上陳岳男老師以開放的方式指導學生，放手讓學生以適合自身的步調與方式做研究，當初提出以數學方式來研究量子系統理論，非以物理方法來研究，老師也很尊重，若非老師給學生很大的空間，一些創新想法可能會被壓抑，那麼現在自己大概還是研究做得很普通的博後吧。
陳宏斌說，會做量子電腦研究來自一個國際學術交流機緣，2016年偶然機會發現自己做的研究與日本理化學研究所做的研究，主題完全不同，卻有共同的物理現象，驚訝之餘，雙方開始合作試著去解答「為什麼」，沒想到做著做著，就走入進入量子系統領域。研究過程多次遇到很難用物理來處理的複雜問題，由於自己很喜歡數學，大學時又輔修數學，靈光一閃試著用抽象的數學來研究，就這樣一步步走出困境，做出滿意的結果。
資料來源: 成大新聞中心
撰文: 孟慶慈
圖片: 新聞中心資料、陳岳男、陳宏斌、<Nature Communication> 10, Article number: 3794 (2019)