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從量子物理到IBM雲端量子電腦 - 清華大學 黃晨溦

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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:

ibmQ

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)

https://quantum-computing.ibm.com/support/guides/getting-started-with-circuit-composer?section=5cd0284a555a22003bf5957f#

關鍵字 #成大模組化 #Quantum #Quantum entanglement #量子力學 #密集課

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