用數學解決物理 成大物理教授爲開放性量子系統理論闢新徑

成大物理系陳嶽男(左)、陳宏斌(右)爲開放性量子系統理論闢新徑。(成功大學提供，曹婷婷臺南傳真)

透過量子過程斷層掃瞄可解析出消相位過程。(成功大學提供，曹婷婷臺南傳真)

「量子電腦」具備強大平行運算能力，全球學界、業界競相投入研發，成大物理系教授陳嶽男與工科系助理教授陳宏斌發展「消相位動態過程的量子性檢測與驗證法」，爲開放性量子系統理論闢出新徑，將有助於臺灣掌握建立量子電腦，與發展量子系統關聯性的檢測技術，研究成果8月登上國際頂尖期刊Nature Communications（自然通訊）。

「以高深數學解決物理問題，不是用物理來研究物理問題，這個厲害，青出於藍！」陳嶽男教授肯定陳宏斌的努力，他說，「消相位過程」對量子系統影響極大，陳宏斌提出「哈密頓量系綜集合模擬法」及進一步將理論改寫，推廣到更大應用範圍，研究成果將有助於臺灣掌握建立量子電腦，與發展量子系統關聯性的檢測技術，意義重大。

陳宏斌一路在成大物理系攻讀到博士，研究所起跟隨陳嶽男教授， 2019年8月獲聘爲成大工科系助理教授。陳嶽男稱許陳宏斌的表現，「默默累積實力，初期不見鋒芒，但一路走來如倒吃甘蔗，展現出強大爆發力與一流研究成果」。讓他最佩服的是，陳宏斌以高深數學解決物理問題，不是用物理來研究物理問題，「這個厲害，青出於藍。」

陳宏斌透露自己研究所期間並不出色，一度考慮是否該離開學術研究圈，但因喜歡做研究，加上陳嶽男老師以開放方式指導學生，放手讓學生做研究，當初提出以數學方式來研究量子系統理論，非以物理方法來研究，老師也很尊重，「若非老師給學生很大的空間，一些創新想法可能會被壓抑，現在自己大概還是研究做得很普通的博後吧。」

陳嶽男、陳宏斌與日本理化學研究所（RIKEN）、韓國高等技術學院（KAIST）、交大的學者們近年組成研究團隊，共同研究量子系統的消相位過程與亂序（disordered）環境影響下的關係。「消相位動態過程的量子性檢測與驗證法」論文，陳嶽男是通訊作者，陳宏斌是第一作者。

量子電腦運算速度極快，傳統電腦要花數10年才能解決的問題，量子電腦可能1天就能達成。不過，目前世界上都還在找尋量子電腦的關鍵應用，一般推測，也許可以在機器學習分析、材料開發、加密演算等發揮優勢。隨着量子科技的發展，量子力學的概念也逐漸被認識，甚至走入電影情節。

在真實物理實驗，一個量子系統無可避免會與其周遭環境交互作用，但這並不易藉由測量、操作與驗證得知。可是與環境交互作用又是量子系統發生消相位過程的主因。陳宏斌提出以哈密頓量系綜集合（Hamiltonian-ensemble）法，模擬消相位過程。研究證實，可以用此一模擬法偵測出來的量子系統，一定是具有量子特性，此一研究成果在2018年1月刊登於Physical Revies Letters（物理評論通訊）。

陳宏斌希望「哈密頓量系綜集合模擬法」不僅能用在量子電腦，還能應用到其他類型量子系統，於是將理論做了一個形式上改寫，將一般用時間來描述與探討消相位過程，轉換到頻率空間去描述探討，創新改寫也爲開放性量子系統理論開闢出新的研究路徑，論文更進一步登上Nature Communications（自然通訊）。

陳宏斌說，會做量子電腦研究來自國際學術交流機緣，2016年偶然發現自己做的研究與日本理化學研究所做研究，主題不同，卻有共同物理現象，驚訝之餘，雙方開始合作試着解答「爲什麼」，做着做着就走入量子系統領域。研究過程多次遇到很難用物理處理的複雜問題，由於自己喜歡數學，大學時又輔修數學，靈光一閃試着用抽象的數學來研究，一步步走出困境，做出滿意的結果。