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title: 量子科技的原理應用與挑戰
tags: [RB-105, QRACON 2023]

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### 量子技術的突破

- 量子通訊 墨子號
- 早期
    - 以理論為主
- 量子位元的突破
    - 2015
    - 50 qbit(quantum supremacy)
        - 傳統電腦難以模擬 (=>4x^50 bits requireed => 4.5TB)
    - Google Xmon qubit (200 $\mu$m) vs TSM classical FinFET (3nm)
- 巨觀的量子現象 
    - 液態氦在低溫下會沿著杯壁爬
    - Color of Gold in macro vs nano
    - 磁浮、超導
> 量子現象需要在非常嚴格的環境下才會觀察到

### 什麼是量子力學

- 同時通過兩個門
    - 波粒二相性
    - 雙狹縫干涉 (Tonomura 1989)
        - 粒子是用機率出現
    - which way experiment (Nature 395,33 in 1998)
        - 量子電腦可同時是 0 或 1 (|0>+|1>)/√2
        - 但觀測時只能觀察到 0 或 1
        - 丟銅板不知道現在是往上或往下，只能等觀測才得知
- 古典波動 vs 量子波動
    - 量子數位: 數位結果 + 類比操作
    - 為何 50 qbit 無法模擬
        - 需要 $4 * 2^{50}$ bits = 4.5TB

### 五大量子效應與量子技術
- Interference
- Quantization
- Tunneling effect
- Spin
- 糾纏
    - 糾纏雙光子實驗
        - 左邊通過雙狹縫，右邊觀察
        - 發現右邊也有雙狹縫成像
        - Einstein: Spooky action at a distance
        - 可以用以量子隱形傳輸
- 量子裝置
    - 量子退火器
    - 量子模擬器
    - 量子演算法
        - 利用巨大的量子空間找尋 short cut

### 量子計算

一切依靠機率

- 量子數位
    - 蒙地卡羅法
    - 微小誤差多次運算後會變大
- 量子平行化
    - 動一髮而牽全身
    - 有效率
- 最早的量子計算
    - x-ray 繞射
- 量子搜索術 (Grover algorithm)
    - 古典 O(n)
    - 量子搜索策略
        - 標示函數（標記你要找的東西）
        - 取平均
        - 平均值翻轉
        - 只需要翻轉 √n 次 => O(√n)
    - 塗色問題
        - 標示 1!=2, 1!=3, .....
    - 推銷員問題
    - 迷宮問題
- 大數因數分解 (Shor's algorithm)
    - 轉換成找周期的函數
    - 干涉找最大

### 量子模擬

- 費米子量子模擬器 (量子井)
- Ising model

### ML + 量子

### 量子退火

- 尋找最低點便是我們欲解問題的答案
- 模擬退火與 quantum annelaer 的差別在量子穿隧
- 加速 $10^8$ 倍

### 量子通訊與網路

- 利用量子態的脆弱性達成絕對安全
- 只要被碰過 (觀測) => 量子態消失 => 被竊聽
- BB4 protocol
- 硬體問題: 光纖傳輸
    - 單光子傳遞衰減率高

### Quantum detector

- 干涉儀
- 量子鐘
    - 全宇宙誤差只會有 100ms
- Quantum radar (ultra-seneitive camera)
    - 找隱形戰機和潛水艇
- 3D 照相機
    - 單光子相機
- Ghost imaging (out-of-sight)

### 量子技術挑戰

- Coherence time 存活時間
- 低溫進行
    - 除了 photonic quantum computer
- 誤差（Fidelity） 
    - scaling-up
    - threshold 定理
    - quantum error correlation

### 現場提問
Q: 50 個量子位元的重要性在哪裡
A: 因為 classical computer 無法模擬 50 qubits quantum computer 的計算結果