A Quantum Leap into the Future

提起「量子」，你会想起什麽？是不可解释的自然定律，还是研发超级电脑所使用的技术？量子技术对不熟悉科学的人来说好像遥不可及，但不少专家相信，量子技术可以帮助我们在不同层面做出更明智的决定，让生活得到彻底改善。

成立於2021年的科大高等研究院量子技术研究中心，致力提升及扩展大学各种深度研究，目的是让量子技术这种突破性科技的巨大潜能得到发挥。研究中心总监、物理学系教授曾蓓与其他志同道合的教授埋首合作，务求令量子技术研究更上一层楼。

由棋手蜕变成为科学家

1997年，美国IBM公司开发的超级电脑在比赛上击败国际象棋世界冠军Garry KASPROV，为当时身为国家青年队代表的曾教授带来极大震撼。超级电脑获胜除了为人工智能发展立下一大里程碑，亦同时改变了曾教授的命运：她毅然放下自八岁起就爱不释手的棋盘，立志成为一位科学家。

「我很快就收拾心情，将失望转化为动力，急欲找出一部机器为何可以取得如此非凡的成就。」曾教授说。

塞翁失马，焉知非福。1998年，曾教授考进北京清华大学，很快便在物理及数学上找到新的志趣。取得学士学位後，她继续在清华大学攻读物理学硕士，之後赴美国麻省理工学院作博士研究。

到达美国後，曾教授开始对量子力学产生兴趣。她说，量子力学研究比原子更小的粒子运动，例如质子、中子及电子；她相信透过描述及预测这些微观粒子的动静，能协助人类了解经典力学理论无法解释的自然现象，对科学的发展进程有重大意义。

「掌握量子现象的来龙去脉，让我们得以研发多种普罗大众不以为意的东西，例如固态电晶体、半导体、有机电子物料、激光、超导体、原子钟及感测器等等。」曾教授说。事实上，平板电脑、智能手机及医用成像技术等发明，均建基於我们对物质的量子本质的理解。

近在咫尺的量子时代

在多种量子技术的应用之中，量子电脑最备受各行各业的关注。

「科学家与工程师现时研发的量子电脑，在运算速度上大大超越了传统电脑，人类正处於精彩刺激的新量子时代。」曾教授说。

储存和处理资讯时，传统电脑会以1或0的单一二进位值记录资料。相比之下， 量子运算以量子位元为单位，可同时以1及0的数值储存和处理资讯，令量子电脑能以比传统电脑无法匹敌的速度进行运算。简单来说，量子电脑既可同时处理大量数据组合，就一项问题快速探索不同可能的答案，更可模拟不同化学反应及运算预测模型，适用於医疗、金融及其他涉及大量变数及潜在结果的行业。

「但要建造一座足以应付这些目标的大型量子电脑，是一项重大挑战。」曾教授说。其中一个障碍是如何有效调控大量量子位元，让它们的状态不受温度及磁场改变所影响；此外也要建立繁複的演算法来修正运算错误，以确保结果可靠无误。

为此，曾教授与全球各地从事量子研究的学者，正日以继夜地寻求解决以上障碍的方法。「量子科学引人入胜之处，在於不断有新事物可以学习，让我保持一颗好奇的心。」曾教授说。量子科学涉猎的範围甚广，曾教授相信，对不同事物保持开放态度，乐意探求，正正是支持她长期研究这门学说的动力。

全方位推动量子力学

曾教授於2019年加盟科大，之前10年，她在加拿大贵湖大学及滑铁卢大学的量子计算机学院执教，研究及传授有关量子运算及信息理论的知识。她在错误修正及容错性等量子信息科学範畴的研究及贡献广受认同，让她於2021年成功跻身美国物理学会院士之列。同年五月，她出任科大高等研究院量子技术研究中心总监。

「研究中心提供一个开放平台，让不同学科的教员就量子技术交流己见，开展合作。」曾教授兴奋地说。「我们希望研究中心能让科大置身量子技术研究、教学及创业的最前线，在国际舞台上大放异彩。」

量子力学既为一门涉猎甚广的学问，研究中心亦欢迎来自不同专业领域的教员积极参与，如物理学、化学、数学、工程及会计学等等。成员进行的研究项目屡作突破，并获不同机构如中华人民共和国科学技术部等大型资助计划发放研究资金。

研究中心正策划多个令人期待的项目，其中包括与某大银行合作研发金融服务应用程式，利用量子演算法寻找最佳投资组合及完善风险管理工作；此外，物理学与工程学成员目前也在研究如何开发具有超导体特性的量子位元。

「我们正积极寻找资金赞助，以招募更多顶尖科学家和学生加入，进一步扩阔我们的研究领域。同时，我们也想推进更多外展活动及STEM教育。」曾教授说。

研究中心的重点工作之一，是加强中学生和大学生对量子理论的认识。中心除了为本地中学生开办了一个为期一年的量子计算训练班，亦积极提倡学界以简单易用的量子电脑作教学用途。

2018年，曾教授在深圳共同创立了量旋科技，研发及生产教学用的量子电脑。曾教授说，製造量子电脑需要应用量子物料、仪器、调控及演算法四方面的技术，而这些知识正是量子研究的基石，故量子电脑是展示研究中心重点工作的最佳例證。

「学生未曾亲身见證量子电脑运作，怎会掌握到量子运算的理论？」曾教授问。「我们需要多年时间完善商用量子电脑，才能有望利用它解决社会面对的重要问题，但要建造一部教学用的量子电脑，却是力所能及的。」

价廉、轻便的量子电脑

人体磁力共振成像背後技术的进步，让曾教授与她的团队得以开发了三部如普通手提电脑大小的量子电脑。这些电脑能以最多三个量子位元运行演算法，并透过电脑屏幕实时模拟量子运算过程，深化学生的理解。

「受惠於近年永久磁铁技术的发展，我们可大幅削减建造教学用量子电脑的成本，成品亦能变得更小巧。」曾教授说。量旋科技的最新教学用量子电脑「双子座Mini」，重量仅为14公斤，定价也只是数千美元，对锐意发展STEM教育的大专院校十分吸引。

团队所研发的量子电脑毋须定期进行保养工作，目前已经被挪威、加拿大、日本及台湾的教育机构采用，以支援教学用途。这些小型电脑的运算能力，固然比不上IBM及微软等科技巨头现正开发的商用版本，但曾教授相信，价廉、轻便的量子电脑将会在教学上大派用场，帮助培育新世代的量子技术研究人才，为业界的未来发展贡献一分力。

被问及量子电脑何时可以普及至我们的日常生活，曾教授与其他科学家一样抱持乐观的想法，相信在自己的有生之年，能看到量子电脑惠及众人。「科学上能发生的事情，往往都会发生。」曾教授笑说。