從量子物理到IBM雲端量子電腦 - 清華大學 黃晨溦
前言：為什麼來修課？
大學，是我們十幾年的讀書生涯裡第一次掌握選擇權，嚮往著能夠選擇自己想學的課程。然而真實狀況是，我們在高中並沒有太多探索專業科目的時間和機會，還不清楚自己確切的取向，但是馬上進了特定科系，只能開始吃套餐——即各式各樣的必修課，光必修課就佔走了大部分的時間。像我所讀的化學系有許多的實驗課，一學期兩個實驗課我兩個下午就沒了。再加上規定了許多通識，於是我每學期只有一兩個學分是真的能夠自己安排探索的。可這樣的探索「太少太慢了」，也「不夠深」。所以看到成大理學院模組化課程時，就意識到這絕對是個難得的機會。可讓我透過不同類型的課程，去發現去感受自己在接受什麼樣的知識或領域時，是最舒服的，進而找出自己可能的學習熱忱所在。當我回到清大時，也會因為有了新的想法，能更精確的找出自己下一學期要選什麼課來持續深化自己的知識。避免亂槍打鳥的選課，然後用一學期來驗證自己很悲劇地完全選錯了。
課程介紹
這個模組化課程為期五天，由物理系陳岳男教授授課。前兩天需要用到比較多的數學來學習量子力學基本理論，為後面做鋪墊。內容包含量子力學的幾個假定（postulate），如：在空間裡找到量子的機率總和為100%、每個物理量有對應的算符（operator）等；以及其他重要概念，如：積分和狄拉克符號（Dirac braket notation）、波函數的疊加和歸一化（normalization）、自旋（spin）等，帶同學們開始熟習量子的世界。
後三天講解量子物理的幾個經典性質或問題：么正演化（unitary Evolution）、量子糾纏（quantum entanglement）、貝爾不等式（Bell's theorem）。也會開始切入量子電腦的內容，認識幾個量子閘，如阿達馬閘（Hadamard gate）、泡利-X閘（Pauli-X gate）和它們對應的矩陣，並帶出我們的主角IBM Q——一組由IBM提供，能夠模擬量子計算的原型量子處理器。透過編寫IBM Q量子電路的python程式，對量子束放上不同量子閘（不同量子操作），演示前面的經典問題。實際去觀察糾纏（entangle）的兩個量子位元（qubit），在各方向的測量組合中，量子狀態能有什麼的不一樣的分布結果。
量子電路的部分會由助教手把手帶著我們用python編寫，不會有什麼障礙。就算有障礙，還有也IBM提供的圖像化網站能救你，讓同學們仍然能夠體驗量子電路。
↓↓↓ IBM的圖像化量子電路介面：
授課風格
陳岳男教授使用板書授課，所以速度其實不會太快，同學可以跟著抄筆記方便複習。這門課另有助教協助，除了檢討考卷，也協助我們建置IBM Q所需要的工作環境，並帶領我們寫程式，這時老師也會在旁邊，有問題時，不怕沒有人幫助。
前幾天課堂結束時都有小考，考完助教馬上檢討，基本上考試+檢討就是整天上課最基本而重要的部分。雖然是考試但題目並不刁鑽，反而更像一種提醒：「至少今天結束之前，要記得這件事噢！」的感覺，可以當作另一個學習機會。
量子物理這門課的本質和我們的生活經驗是不太一樣的，所以難懂是正常的，但是課堂中或下課時可以主動問老師和助教問題，他們人很nice又可愛！問問題能夠少糾結很多時間，有時候更能獲得其他啟發，像是量子電腦在不同領域的應用、量子電腦最近有什麼發展等。
心得
量子物理本身就是一個難懂但又迷人的學科，像是量子纏結就彷彿在告訴你，你有兩個各自存在的神奇硬幣，當你同時投擲後你並不能確認它們各自是哪一面，但當你確認其中一個是head的時候，科學家就會告訴你：「另一個硬幣毫無疑問的是tail」——沒有反應上的延遲，它們總是呈現和對方相反的狀態。仔細想想，這明明是兩個「各自存在」的東西啊，它們是怎麼「即時」知道對方現在是什麼狀態的呢！？這樣聽起來荒謬的真實，卻是真實存在於量子世界中。而這門課程最酷的部分就在於，像量子糾纏這個聽起來很玄的東西卻能透過電路，變成了圖像化的長條圖，能夠看見在1024 shot中，spin最後分布在不同狀態的比例各是多少。而每次實驗跟理想總是差個1%、2%，會真的體驗到量子帶有「機率」的性質。而不該出現的結果，也會因為量子運算的誤差而出現。這種用指令做實驗的方式，發現誤差的真實感，somewhat拉近了量子世界和我的距離！
話說，對於一些同學，障礙可能從第一天就出現了——不清楚量子力學是什麼？無法一下子接受量子力學的很多性質，對於量子力學使用的名詞和notation感到陌生，覺得理論難以消化。確實，密集課因為學分和時間的關係，在進度上比較快和精簡。但其實同學們不須太過擔心，也不要馬上喪失信心，不懂是正常的，好像懂了卻還是覺得哪裡怪怪的也是正常的，尤其第一次接觸的人。正如John Wheeler所說“If you are not completely confused by quantum mechanics, you do not understand it.” 曾學過一個學期多相關內容的我，至今也仍然在學習同樣基本的內容時，感到微妙啊！但只要堅持，會逐漸地體驗到量子世界的奧妙。
這堂課只是很簡約的介紹，因此你不會在修完之後變成很懂量子電路的人；但這是很好的inspiration，幫助你了解、踏入量子電腦這個聽起來很厲害卻不知道怎麼了解的領域。其實模組化課程都帶有這個特質，把感覺離一般人很遙遠的知識，帶回地球，帶進教室，然後帶來一個開始。不管是否有繼續學習或踏入和這堂課確實相關的領域，最重要的是在不同知識的刺激下，會有很多新的體會和想像產生。撇除課堂，模組化課程可以交朋友啊哈哈哈！課堂結束的吃飯時間，就變成不同系不同校的交流大會。
話說模組化課程其實也不是偉大到什麼人生必要啊！但無論課內課外，這都會是個好機會，來接受不同知識、不同觀點、不同領域的刺激。我有機會想繼續參與同樣主題的延伸或是繼續嘗試其他課程。除此之外還有個理由……
把原本耍廢的時間，主動拿去上課，聽一聽就覺得自己好帥啊！(╯✧∇✧)╯
IBM Q的圖像化量子電路範例：（也是課堂的其中一個實作）
關鍵字 #成大模組化 #Quantum #Quantum entanglement #量子力學 #密集課程
