前瞻技術脈動：光子與量子技術（202410）

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科技產業資訊室(iKnow) -技術發展藍圖研析團隊發表於 2024年10月4日

圖、前瞻技術脈動：光子與量子技術（202410）

科學家設計量子電腦的自我校正技術

哈佛大學的科學家成功研發了一種量子計算平台來解決量子錯誤校正的挑戰。該研究利用非常冷的銣原子(rubidium atoms)陣列構建平台，每個原子充當可執行高速計算的量子位元(qubit)。研究人員透過重新配置原子佈局(糾纏)，實現了極低錯誤率的雙量子位元糾纏閘操作。此技術性能媲美其他領先的量子計算平台，如超導量子位元(superconducting qubits)和離子阱量子位元(trapped-ion qubits)，但由於其大型系統尺寸、高效的量子位元控制和佈局動態重新配置的能力，未來將具有明顯優勢。
參考資料：Self-correcting quantum computers within reach? NSF. 2023/12/14.

FermiNet擴展以發現量子相變(quantum phase transitions)
薛丁格方程是一個基於公認的能量守恆理論的偏微分方程，主要用於推導電子行為的信息，並解決與物質特性相關的問題。在化學領域，求解分子中電子的薛丁格方程式，特別是探討FermiNet是否能對固體的薛丁格方程產生同樣精確的解，成為了一個核心問題。使用改編版本的FermiNet，可以在相變的兩側獲得薛丁格方程的精確解。

基於人工神經網絡(ANN)的架構在研究環境中非常有用，因為它們可以快速分析大量數據並做出準確的預測。2020 年，Google的英國AI子公司DeepMind使用一種名為FermiNet的全新ANN架構來求解分子中電子的薛丁格方程式。最近倫敦帝國理工學院、DeepMind、蘭卡斯特大學和牛津大學的研究人員則採用FermiNet架構來解決量子物理問題。在發表於Physical Review Letters的論文中，他們專門使用FermiNet計算週期性哈密頓量的基態並研究同質電子氣(HEG)，這是電子在固體中相互作用的簡化量子力學模型，想知道FermiNet是否可以對固體的薛丁格方程產生同樣精確的解。物理研究中使用的大多數深度學習方法都依賴於對大量數據的分析，而 FermiNet 則不然，它利用了量子力學的“變分原理”。

研究人員發現，除了為薛丁格方程提供高精度解之外，FermiNet還提供了優於傳統固體研究方法的獨特優勢。與求解薛丁格方程的傳統基於計算的方法相比，神經網絡不需要用戶選擇一組函數。因此研究人員使用的FermiNet的改編版本可以在相變兩側獲得薛丁格方程的精確解。這個研究發現強調了FermiNet的巨大潛力，可以作為對經歷奇異且知之甚少的相變材料的探針。雖然到目前為止用來研究HEG模型，但它很快也可以應用於研究高溫超導體中發生的相變和物質的奇異相互作用拓撲相。研究人員期待未來能研究真實固體中的相變。
參考資料：An extension of FermiNet to discover quantum phase transitions, phys.org. 2023/02/06.

用量子運算保護供應鏈
在短時間內重新配置供應鏈是一個非常困難的問題，因為問題的出現會限制全球貿易的靈活性。運用量子運算方法和優化演算法，可以協助產業協調卡車運輸路線或管理金融資產等任務。

美國能源部桑迪亞國家實驗室(DOE Sandia National Laboratories)的研究人員運用量子電腦以及開發一種新框架基於反饋的量子優化算法(FALQON)，能夠解決在全球動盪時期供應鏈的問題與恢復安全。同時該框架也可運用量子電腦完成所有繁重的工作，處理更複雜的問題，透過反饋運行的量子演算法，並為未來中大型量子電腦制定有用演算法。
參考資料：Securing supply chains with quantum computing, Science Daily. 2023/02/14.

量子扭曲顯微鏡(QTM)：量子材料的"新鏡頭"
多年間，拍攝材料內部的電子照片一直相當困難，然而這項科學突破提供了一種新的顯微鏡鏡頭，使科學家能夠觀察和測量量子材料的特性。這個新技術能夠直接可視化量子電子波，並提供了一種不同於以往觀察與測量技術的工具，讓我們能夠看到量子電子波在材料內部進行的量子舞動。

研究團隊這個新工具可將量子電子波直接可視化，提供一種解開它們在材料內部進行的量子行為的方法，QTM使用它的扭曲能力來找到不同材料間匹配發生的角度，透過相對於樣品連續扭曲尖端，該工具會導致它們相應的波函數也相對於彼此扭曲。一旦這些波函數在界面兩側匹配，就會發生穿隧效應。因此，扭曲允許QTM映射電子波函數如何依賴於動量，類似於尖端的橫向平移方式能夠映射其對位置的依賴性，就能知道電子以哪個角度穿過界面，進而為研究人員提供有關被探測材料的大量資訊。這就像是新型「鏡頭」，用於觀察和測量量子材料的特性，提供前所未有的新量子界面光譜。(1500字；圖1)
參考資料：The quantum twisting microscope: A new lens on quantum materials, phys.org. 2023/02/23.

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