躍進量子未來

提起「量子」，你會想起什麼？是不可解釋的自然定律，還是研發超級電腦所使用的技術？量子技術對不熟悉科學的人來說好像遙不可及，但不少專家相信，量子技術可以幫助我們在不同層面做出更明智的決定，讓生活得到徹底改善。

成立於2021年的科大高等研究院量子技術研究中心，致力提升及擴展大學各種深度研究，目的是讓量子技術這種突破性科技的巨大潛能得到發揮。研究中心總監、物理學系教授曾蓓與其他志同道合的教授埋首合作，務求令量子技術研究更上一層樓。

由棋手蛻變成為科學家

1997年，美國IBM公司開發的超級電腦在比賽上擊敗國際象棋世界冠軍Garry KASPROV，為當時身為國家青年隊代表的曾教授帶來極大震撼。超級電腦獲勝除了為人工智能發展立下一大里程碑，亦同時改變了曾教授的命運：她毅然放下自八歲起就愛不釋手的棋盤，立志成為一位科學家。

「我很快就收拾心情，將失望轉化為動力，急欲找出一部機器為何可以取得如此非凡的成就。」曾教授說。

塞翁失馬，焉知非福。1998年，曾教授考進北京清華大學，很快便在物理及數學上找到新的志趣。取得學士學位後，她繼續在清華大學攻讀物理學碩士，之後赴美國麻省理工學院作博士研究。

到達美國後，曾教授開始對量子力學產生興趣。她說，量子力學研究比原子更小的粒子運動，例如質子、中子及電子；她相信透過描述及預測這些微觀粒子的動靜，能協助人類了解經典力學理論無法解釋的自然現象，對科學的發展進程有重大意義。

「掌握量子現象的來龍去脈，讓我們得以研發多種普羅大眾不以為意的東西，例如固態電晶體、半導體、有機電子物料、激光、超導體、原子鐘及感測器等等。」曾教授說。事實上，平板電腦、智能手機及醫用成像技術等發明，均建基於我們對物質的量子本質的理解。

近在咫尺的量子時代

在多種量子技術的應用之中，量子電腦最備受各行各業的關注。

「科學家與工程師現時研發的量子電腦，在運算速度上大大超越了傳統電腦，人類正處於精彩刺激的新量子時代。」曾教授說。

儲存和處理資訊時，傳統電腦會以1或0的單一二進位值記錄資料。相比之下， 量子運算以量子位元為單位，可同時以1及0的數值儲存和處理資訊，令量子電腦能以比傳統電腦無法匹敵的速度進行運算。簡單來說，量子電腦既可同時處理大量數據組合，就一項問題快速探索不同可能的答案，更可模擬不同化學反應及運算預測模型，適用於醫療、金融及其他涉及大量變數及潛在結果的行業。

「但要建造一座足以應付這些目標的大型量子電腦，是一項重大挑戰。」曾教授說。其中一個障礙是如何有效調控大量量子位元，讓它們的狀態不受溫度及磁場改變所影響；此外也要建立繁複的演算法來修正運算錯誤，以確保結果可靠無誤。

為此，曾教授與全球各地從事量子研究的學者，正日以繼夜地尋求解決以上障礙的方法。「量子科學引人入勝之處，在於不斷有新事物可以學習，讓我保持一顆好奇的心。」曾教授說。量子科學涉獵的範圍甚廣，曾教授相信，對不同事物保持開放態度，樂意探求，正正是支持她長期研究這門學說的動力。

全方位推動量子力學

曾教授於2019年加盟科大，之前10年，她在加拿大貴湖大學及滑鐵盧大學的量子計算機學院執教，研究及傳授有關量子運算及信息理論的知識。她在錯誤修正及容錯性等量子信息科學範疇的研究及貢獻廣受認同，讓她於2021年成功躋身美國物理學會院士之列。同年五月，她出任科大高等研究院量子技術研究中心總監。

「研究中心提供一個開放平台，讓不同學科的教員就量子技術交流己見，開展合作。」曾教授興奮地說。「我們希望研究中心能讓科大置身量子技術研究、教學及創業的最前線，在國際舞台上大放異彩。」

量子力學既為一門涉獵甚廣的學問，研究中心亦歡迎來自不同專業領域的教員積極參與，如物理學、化學、數學、工程及會計學等等。成員進行的研究項目屢作突破，並獲不同機構如中華人民共和國科學技術部等大型資助計劃發放研究資金。

研究中心正策劃多個令人期待的項目，其中包括與某大銀行合作研發金融服務應用程式，利用量子演算法尋找最佳投資組合及完善風險管理工作；此外，物理學與工程學成員目前也在研究如何開發具有超導體特性的量子位元。

「我們正積極尋找資金贊助，以招募更多頂尖科學家和學生加入，進一步擴闊我們的研究領域。同時，我們也想推進更多外展活動及STEM教育。」曾教授說。

研究中心的重點工作之一，是加強中學生和大學生對量子理論的認識。中心除了為本地中學生開辦了一個為期一年的量子計算訓練班，亦積極提倡學界以簡單易用的量子電腦作教學用途。

2018年，曾教授在深圳共同創立了量旋科技，研發及生產教學用的量子電腦。曾教授說，製造量子電腦需要應用量子物料、儀器、調控及演算法四方面的技術，而這些知識正是量子研究的基石，故量子電腦是展示研究中心重點工作的最佳例證。

「學生未曾親身見證量子電腦運作，怎會掌握到量子運算的理論？」曾教授問。「我們需要多年時間完善商用量子電腦，才能有望利用它解決社會面對的重要問題，但要建造一部教學用的量子電腦，卻是力所能及的。」

價廉、輕便的量子電腦

人體磁力共振成像背後技術的進步，讓曾教授與她的團隊得以開發了三部如普通手提電腦大小的量子電腦。這些電腦能以最多三個量子位元運行演算法，並透過電腦屏幕實時模擬量子運算過程，深化學生的理解。

「受惠於近年永久磁鐵技術的發展，我們可大幅削減建造教學用量子電腦的成本，成品亦能變得更小巧。」曾教授說。量旋科技的最新教學用量子電腦「雙子座Mini」，重量僅為14公斤，定價也只是數千美元，對銳意發展STEM教育的大專院校十分吸引。

團隊所研發的量子電腦毋須定期進行保養工作，目前已經被挪威、加拿大、日本及台灣的教育機構採用，以支援教學用途。這些小型電腦的運算能力，固然比不上IBM及微軟等科技巨頭現正開發的商用版本，但曾教授相信，價廉、輕便的量子電腦將會在教學上大派用場，幫助培育新世代的量子技術研究人才，為業界的未來發展貢獻一分力。

被問及量子電腦何時可以普及至我們的日常生活，曾教授與其他科學家一樣抱持樂觀的想法，相信在自己的有生之年，能看到量子電腦惠及眾人。「科學上能發生的事情，往往都會發生。」曾教授笑說。