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一切有為法,如夢幻泡影,如露亦如電,應作如是觀。

作者:駐加拿大台北經濟文化代表處科技組 現職:駐加拿大台北經濟文化代表處科技組
文章來源:自然雜誌(Nature)2009年11月25日
csie-tw.blogspot.com 如果歷史可以借鑑的話,密碼被發展出來後,就能夠被破解。但加拿大安大略省滑鐵盧大學量子計算研究所(Institute for Quantum Computing)主任拉弗萊姆(Ray LaFlamme)辦公室裡一個探測器內的密碼卻無法破解。拉弗萊姆表示,這些裝在光脈衝(pulses of light)內的密碼無法破解。這些資訊並非被藏在一個複雜的新密碼本內,而是受到量子力學規律的保護。量子力學規律將光脈衝嚴密包裹,任何竊聽都會立刻觸發警鈴。拉弗萊姆說,這種名為量子密碼學(quantum cryptography)的技術,有一天將使竊聽絕跡。
量子密碼學的出現,使得拉弗萊姆領導的研究所更進一步探討量子資訊科學(quantum information science)這樣更廣泛的課題。量子資訊科學融合物理學,數學及電腦科學於一體。這樣的科學,在25年前尚無人知,或被認為無關緊要。目前,世界各國政府及研究所競相爭取頂尖的物理學,數學及電腦科學人才。根據拉弗萊姆2008年蒐集的一份名單,全世界已有100多個學術及工業團體在量子資訊科學方面發表文章。
位於維也納的奧地利量子光學暨量子資訊研究所(Institute for Quantum Optics and Quantum Information)科學部主任柴林傑爾(Anton Zeilinger)表示,此一現象十分驚人。他說,對一個年輕人來說,這真是一個黃金時代。


量子資訊科學專注於善用量子力學的優點。這些優點主要應用於兩個方面:資訊處理及加密。因此,一些研究人員正在百折不撓地建造量子電腦,使用量子力學提供的精細及模糊位元,以遠遠超過傳統電腦的功能。還有一些研究人員,在量子加密上下工夫,利用量子力學的特質,創造防諜系統,就像拉弗萊姆辦公室那台探測器一樣。拉弗萊姆開玩笑地說,他可以用他辦公室那台機器,將研究所的秘密策略文件送給同事,而沒有人會知道。
滑鐵盧大學量子計算研究所自2002年創立以來,由於不斷擴張,經常需換更大的地方。現在,很快又將搬進第4棟大樓。新的量子-奈米中心,耗資1億6000萬加元(1億5100萬美元),將於2010年底前完成。這棟新大樓,將可提供拉弗萊姆繼續發展的空間。總部設在安大略省滑鐵盧市的黑莓智慧型手機(BlackBerry)製造商RIM(Research In Motion)創建人雷查瑞迪斯(Mike Lazaridis),係新量子-奈米中心贊助人之一。雷查瑞迪斯10年前,自掏腰包,出了1億5000萬加元,建立理論物理學周邊研究所(Perimeter Institute for Theoretical Physics)。今天,他又再捐助5000萬加元,協助成立量子-奈米中心。拉弗萊姆初來到滑鐵盧大學創建量子計算中心時,就有一大批研究員跟隨,目前該計算中心約有110名研究員,新大樓將可容納200多研究員。
量子資訊科學的成長,不僅是在加拿大,歐洲的熱點地區包括英國牛津大學。該大學量子資訊科學先驅杜志(David Deutsch)1980年代末期即開始這方面的研究。另一個熱點就是奧地利的量子光學暨量子資訊研究所(IQOQI),它是奧地利科學院轄下的一個研究機構,在英斯布魯克大學(University of Innsbruck)及維也納都有一個實驗室。柴林傑爾表示,10年前,奧地利從事量子資訊科學研究人員不過40名,現在此一人數已增至200多人。
新加坡亦展現了對量子資訊科學的興趣,並聘請英國牛津大學知名物理學家艾克爾特(Artur Ekert)前來新加坡國立大學擔任量子科技中心主任。艾克爾特並未自牛津大學辭職,他在新加坡國立大學的工作僅是兼職。新加坡國立大學量子科技中心於 2007年創建,獲得5年1億5000萬新加坡幣(1億800萬美元)的撥款。目前,新加坡國立大學量子科技中心的研究人員約有百名。
博士後研究生,像是滑鐵盧大學量子計算研究所的柯亦希(Bill Coish),認為量子科學有許多的機會。雖然目前經濟衰退未復,但他相信此一科學今後的發展無可限量。
柯亦希表示,與仍在老舊領域工作的人比起來,他覺得他幸運多了。他在瑞士巴塞爾大學(University of Basel)攻讀博士學位時,專研原型量子電腦倒退回原始狀態的問題。瑞士是少數量子資訊科技新興公司之一,以日內瓦為總部的id Quantique公司的大本營。id Quantique公司2007年曾使用量子加密科技傳送選舉結果。柯亦希雖不排除將來可能會再回到歐洲,但與其加入新興公司,他寧願在學術方面發展。他說,新興科技公司需要的人,都是那些喜歡在實驗室內修修補補的人。他因此認為,實驗家比較適合新興科技公司。
展望前程,柯亦希表示,他將凸顯自己在數學及電腦科學方面的才能,使學術界對他更有興趣。柯亦希說,學術界希望延攬的人才,一方面對傳統的理論物理學有所專精,同時亦對傳統上由電腦科學家及數學家研究的項目有所了解。
拉弗萊姆同意柯亦希的看法。他說,今年量子計算研究所欲填補的三個位置,都沒有一套既定的標準。這些職位基本上都是跨領域學門的。他的個人標準是,才能出眾,但不拘限於某一學門。拉弗萊姆指出,在量子計算研究所內,幾乎半數的研究員專精數學及電腦科學,另一半專精於物理及物理化學。不過,2007年,歐盟執行委員會(European Commission)資助的一項量子資訊計畫檢討報告顯示,實驗或理論物理學研究員幾乎主導著這個領域。
量子計算的特性在特殊情況下,對計算速度將會帶來突破性的發展,像是在密碼破解方面。1994年,數學家紹爾(Peter Shor)即曾顯示,量子電腦在分(係)數計算上,速度遠遠超過傳統電腦。紹爾目前任教於麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology)。此一情形可能從基本上,會危及到所有事務的資訊安全,從財務處理到國家機密等。這是因為,今天的加密措施,均是基於傳統電腦在分(係)數計算上不足的假設。目前仍在萌芽階段的量子電腦,利用量子力學同時可以存在於兩個地點的優勢。一個量子位元,可以很快超越普通位元的表現。通常,100萬傳統位元,才能抵得上20個量子位元的記憶量。
毫不意外,這種計算潛力已獲得許多政府機構的青睞。例如美國,量子計算工程就是由國家科學基金會(National Science Foundation),國家安全局(National Security Agency)及2007年才組成的高級情報研究計畫(Intelligence Advanced Research Projects Activity)等機構資助。但新墨西哥州洛斯阿拉莫斯國家實驗室(Los Alamos National Laboratory)物理學家休斯(Richard Hughes)表示,由於沒有一個統籌機構,統一協調研究工作,研究及工作前景,反而是歐洲比較強。
量子計算目前雖然仍處萌芽階段,但滑鐵盧大學量子計算研究所的量子加密研究卻進展很快。就像量子電腦會為銀行業務處理帶來威脅一樣,量子力學也可提供解決辦法。在量子加密中,資訊的送出,均是根據量子力學設計的解碼器群。這些以極化光子形式出現的解碼器群,在送到預定的探測器群時,彼此可以完全互容。但如果有竊聽設備,在運送途中欲探測光子中的任何一個,這群光子便會立刻消失,就好像光子會彼此互相感應一樣。
一些新興公司,如id Quantique,已對量子加密科技商業化一事進行初試,但仍面臨一些挑戰,如加速資訊傳送速度等。這也是滑鐵盧大學量子計算研究所博士生厄爾文(Chris Erven)的研究目標。
原文:http://www.nature.com/naturejobs/2009/091119/full/nj7271-376a.html

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