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分秒必爭!目標是重新鎖定新視野號——《冥王星任務》引言(下)

時報出版_96
・2019/05/28 ・2785字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 512 ・六年級
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無法鎖定太空船

艾倫拿胸章在大樓的門禁處掃瞄了一下,進到了任務指揮中心。在中心內部,他第一眼要找的就是艾莉絲.波曼,計畫中冷靜又極幹練的十四年老鳥。艾莉絲的職稱是任務指揮經理(Mission Operations Manager,簡寫為MOM),她的外號「老媽」就是這樣來的。艾莉絲帶領的任務控制團隊有兩項職責,一個是負責維繫與太空船的通訊,一個就是太空船的控制。艾莉絲正與一小群工程師跟任務指揮專家在某台電腦螢幕前圍成一圈。他們正在商討機宜,而那台電腦螢幕上顯示著一則令人怵目驚心的訊息:無法鎖定

圖/wikipedia

他們處變不驚,讓人感到一絲放心,但想到問題的嚴重性,艾倫又覺得他們會不會放得太鬆了。只不過真正拿問題去試探他們,艾倫才知道他們已經擬出了一套工作假說,欲推測究竟發生了什麼事情。

問題到底出在哪

在訊號喪失的當時,他們已知太空船經設定、要同時處理好幾件事情,而這可能讓主電腦程式處於較大的壓力下。或許,他們推測,新視野號的電腦發生過載。在任務指揮中心之前的演習當中,同一組任務並未對任務模擬器上的同型電腦造成問題,但也許太空船上的實際狀況,與模擬中的情況並未完全相仿。

他們推測若船上的運算負荷果真過重,那電腦可能自行決定重開機。另外一種可能,是船上電腦可能察覺到有問題發生,所以決定自行關機,決策權自動轉移到備用電腦上。

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圖/pixabay

不論是上述兩者中的哪一種情形,都算好消息,因為那意味著新視野號還活著,而且問題是可以處理的。不論是哪一種狀況,都代表新視野號已經重新甦醒,而且已經用無線電回報現況給基地。只要這兩種推測有其一是正解,在太空船自動完成初始回復步驟後的一到一個半小時內,他們都可望收到「飛鴿傳書」。

艾莉絲與她的團隊看來有信心,問題就是二者之一,而想到他們已經控制新視野號的飛行這麼多年,艾倫選擇相信他們。但萬一新視野號音訊全無──接下來的一個半小時後非常關鍵──那就代表他們也不知道發生了什麼事情,而非常有可能永遠也不會有人知道。

隨著愈來愈多同仁趕來集思廣益,艾倫在戰情室裡開了個「小視窗」。所謂戰情室,是個像金魚缸的透明會議室,向外可以俯瞰波曼的新視野號任務控制室。葛倫.方騰也來了。沒多久事情趨於明朗,這不是可以藥到病除的狀況,團隊成員必須要在此長期抗戰──弄不好得披星戴月好幾天,才能讓馬上要飛越冥王星的計畫重回正軌。

只有一次機會

來自新視野號的球面馬賽克圖像 (2015年9月10日發布)。圖/wikipedia

今天出問題的若是繞著某顆星體在軌道上公轉的飛船,又或者是某個已經成功登陸在星體表面的登陸艇,那團隊就不用急於一時。大家可以慢慢分析問題,然後做出建議,甚至嘗試錯誤。但新視野號不是要繞行軌道或表面探勘,這是飛掠行星任務。無人太空船正以單日七十五萬英里(一百二十萬餘公里)的速度朝冥王星衝去──時速超過三萬一千英里(將近五萬公里)。所以不論修不修得好,新視野號都將在七月十四日飛越冥王星,然後一去不返。他們一邊解決問題,太空船也繼續在飛,沒有什麼暫停這種東西。要在跟冥王星擦身而過的瞬間滿載而歸,只有一次機會──新視野號沒有備份,沒有第二次機會,沒有辦法打電話跟冥王星說改天再約。

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第一次世界大戰曾經傳下來一種形容戰爭的說法,他們說戰爭就是「百無聊賴好幾個月,然後恐怖至極好幾個瞬間」。同樣的說法,也完全可以套用在長程太空任務上。因為等待新視野號傳來佳音的那一個小時,感覺非常之漫長,而且老實說也非常之可怕。

重新鎖定

然後,解脫終於到了:午後三點十一分,也就是與飛船失去聯繫的一小時又十六分鐘後,訊號到了,新的訊息出現在任務控制中心的電腦螢幕上:「訊號鎖定」。

艾倫深吸了一口氣。工程師的假說,顯然是正確的。太空船又開口跟他們說話了,這場比賽又有救了!

這場比賽又有救了!圖/wikipedia

好吧,這場比賽有救了,但還是落後很多。他們得卯起來趕進度,太空船才能回歸飛越冥王星的時程。當務之急是新視野號得脫離「安全模式」──太空船在偵測到問題後,就會進入這個模式,而在這個模式裡,會關閉所有非必要的系統。但新視野號要重回飛越軌道,脫離安全模式只是各種工作中的冰山一角。去年十二月以來,所有小心翼翼上傳的電腦檔案,都是支援探索所需,在飛越作業前全得重傳一遍。正常情況下,這會是好幾個星期的工作量,但這會兒沒有幾個星期,他們只有十天。十天後就是新視野號正式抵達冥王星的日子,三天後就要對冥王星展開近距離的資料蒐集,屆時要完成所有最重要的科學觀測。

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波曼跟她的團隊立馬動工,而這果然是一項艱鉅的任務。太空船跳出安全模式後,他們得下指令,讓新視野號從備用電腦轉回由主電腦控制──這是他們第一次不得不這麼做。再來他們得重建、重傳飛掠過程中需要的所有支配檔案。而且傳給新視野號之前,必須在任務的模擬器中完成測試,先確認其效果。一切流程都要完美無缺:那怕是缺了一個檔案,或是版本不對,他們辛苦了這麼多年,就可能名存實亡。

圖/publicdomainpictures

跟時間賽跑

時間滴滴答答在走。近距離飛越的第一批科學觀察──處於任務核心的最關鍵觀察──即將在距離冥王星六點四天、也就是星期二展開。這個六點四天的設定,是根據冥王星一天的長度,也就是它完整自轉一圈的時間。換句話說,我們要是想在飛離前掌握冥王星的全貌,星期二是最後的機會。要是新視野號不能在那之前回歸原訂的時間線,就注定我們會跟很大一片冥王星的表面緣慳一面──永永遠遠。

在那之前,太空船能拉回正軌嗎?艾莉絲跟她的團隊擬定了計畫,他們覺得這是辦得到的──前提是在即將展開的馬拉松式復原工作中,不眠不休的他們不要遭遇到新的問題,也不要自己犯錯來製造問題。

真的辦得到嗎?還是他們會功虧一簣?艾倫那日下午曾說,你如果是這個任務團隊的一分子,並且之前沒有宗教信仰,那你在這個點上也應該開始求神拜佛了。時間會公布答案,我們總會知道結果。但在那之前,先讓我們來說說新視野號計畫一路向前、又如何來到這一天的故事。

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——本文摘自《冥王星任務:NASA新視野號與太陽系盡頭之旅》,2019 年 4 月,時報出版

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時報出版_96
174 篇文章 ・ 35 位粉絲
出版品包括文學、人文社科、商業、生活、科普、漫畫、趨勢、心理勵志等,活躍於書市中,累積出版品五千多種,獲得國內外專家讀者、各種獎項的肯定,打造出無數的暢銷傳奇及和重量級作者,在台灣引爆一波波的閱讀議題及風潮。

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傳統開胸手術太風險?微創支架手術不用開胸也能修補血管
careonline_96
・2025/07/16 ・2818字 ・閱讀時間約 5 分鐘

圖 / 照護線上

「六年前,有位八十多歲的老先生因為突發性劇烈胸痛被送到急診室,檢查發現急性主動脈剝離,於是接受緊急全開胸的胸主動脈置換手術。」林口長庚心臟血管外科主任陳紹緯教授表示,「雖然胸口留下了一道三十公分的傷口,但是也挽回寶貴的生命,如今患者已高齡近九十歲。」

這次住院的原因是患者主動脈弓的血管瘤快速擴大至 6 公分,需要再次手術。陳紹緯教授解釋,傳統的手術方式需要再次打開胸骨三十公分的傷口,搭配體外心肺循環機,在手術過程中須讓心跳停止,並將體溫降至攝氏二十度以保護腦部才能完成手術。過去替代的主動脈支架手術包括煙囪或開窗手術,滲漏風險及手術失敗比例都相當高。

所幸林口長庚心臟血管外科團隊引進新型一體成型胸主動脈分支支架,是近期美國 FDA 核准可臨床應用的胸主動脈分支支架,可在維持患者腦部動脈血流的狀況下,以微創方式處理主動脈弓血管瘤,避免傳統開胸及心臟停止,降低手術風險與恢復時間,為台灣心臟血管外科治療開創嶄新里程碑。

微創胸主動脈分支支架手術不開胸、心臟不停跳
圖 / 照護線上

「病患術後影像顯示支架位置良好,雙側頸動脈血流順暢,主動脈瘤已完全被支架隔絕。」主刀醫師陳紹緯教授表示,「林口長庚醫院是目前台灣少數有能力進行分支支架手術的醫學中心,特別是針對複雜性主動脈弓血管瘤零區病人,手術經驗已領先亞洲一流醫學中心,整個手術過程不需要 30 公分的開胸傷口,僅需經由腹股溝、頸動脈、腋下的小切口,在複合式混成手術房完成,手術時間及出血量都顯著減少。對高齡、高風險病人而言,可顯著降低手術風險。」

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微創胸主動脈分支支架手術 提升成功率、漸少併發症

主動脈是人體最大的血管,長時間承受血流的衝擊。陳紹緯教授說,當主動脈壁老化、發生病變之後,主動脈可能像氣球一般逐漸膨大,形成主動脈瘤(aortic aneurysm)。隨著主動脈瘤逐漸膨大,破裂風險也越來越高。

主動脈瘤的危險因子包括年長、男性、抽菸及家族病史等。陳紹緯教授說,主動脈瘤大多沒有症狀,讓患者毫不自覺,但是當主動脈瘤破裂時,可能導致突發性劇烈胸痛、腹痛,並因為大量內出血而休克,危及性命。

主動脈瘤可能出現在升主動脈、主動脈弓、降主動脈、腹主動脈。由於主動脈弓的構造較複雜,以往大多要採用傳統開胸手術來處理位於主動脈弓的主動脈瘤。陳紹緯教授說,手術過程中必須使用體外心肺循環機,讓心跳停止,並將體溫降至攝氏二十度以保護腦部。

如果要採用主動脈支架手術,便得利用人工血管進行外科繞道手術,或利用小血管支架進行血管內「煙囪支架手術」。陳紹緯教授說,若採外科繞道手術,便需經由額外刀口進行;若採「煙囪支架手術」,則會增加主動脈支架滲漏的風險。

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胸主動脈分支支架手術提升成功率
圖 / 照護線上

新式胸主動脈分支支架具有內建的分支設計,帶來革命性的突破,能夠在維持患者腦部動脈血流的同時,以微創方式治療複雜主動脈弓疾病,避免傳統開胸及心臟停止!陳紹緯教授解釋,在置放主動脈支架後,可利用內建的導絲引導小支架,以維持血流。由於採用一體成型設計的新技術,能夠降低滲漏和移位的風險,且不需額外手術刀口,可顯著縮短手術時間、減少術後疼痛、降低手術風險、減少併發症、縮短恢復期。

陳紹緯教授說,「胸主動脈分支支架手術會在複合式混成手術房進行,這種一站式手術環境,配備先進影像導引系統,可以即時進行 3D 影像重組,利用術中即時的高解析度影像導引,達到精準定位,整體手術成功關鍵在於詳細的術前規劃及團隊成員在手術中的精準操作。」

微創胸主動脈分支支架手術開創治療新紀元
圖 / 照護線上

林口長庚醫院心臟血管外科團隊成功引進胸主動脈分支支架系統,標誌台灣在主動脈疾病治療領域的重大突破。陳紹緯教授表示,這項技術對於解剖結構適合的患者而言,是微創、高效且長期可靠的治療方式,尤其適合外科手術高風險患者,為他們提供了過去難以想像的治療可能性。

微創胸主動脈分支支架手術為複雜主動脈弓病變提供了全新治療選擇,其微創特性大幅降低了患者的手術風險,也代表台灣的心臟血管治療邁入新紀元!

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筆記重點整理

  • 當主動脈壁老化、發生病變之後,主動脈可能像氣球一般逐漸膨大,形成主動脈瘤。危險因子包括年長、男性、抽菸及家族病史等。主動脈瘤大多沒有症狀,讓患者毫不自覺,但是當主動脈瘤破裂時,可能導致突發性劇烈胸痛、腹痛,並因為大量內出血而休克,危及性命。
  • 由於主動脈弓的構造較複雜,以往大多要採用傳統開胸手術來處理位於主動脈弓的主動脈瘤。手術過程中必須使用體外心肺循環機,讓心跳停止,並將體溫降至攝氏二十度以保護腦部。
  • 新式胸主動脈分支支架具有內建的分支設計,帶來革命性的突破。在置放主動脈支架後,可利用內建的導絲引導小支架,以維持血流。由於採用一體成型設計的新技術,能夠降低滲漏和移位的風險,且不需額外手術刀口,可顯著縮短手術時間、減少術後疼痛、降低手術風險、減少併發症、縮短恢復期。
  • 微創胸主動脈分支支架手術是微創、高效且長期可靠的治療方式,為複雜主動脈弓病變提供了全新選擇。尤其適合外科手術高風險患者,為他們提供了過去難以想像的治療可能性。
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量子電腦的計算是怎麼一回事?
賴昭正_96
・2025/07/15 ・6405字 ・閱讀時間約 13 分鐘

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  • 作者 / 賴昭正 前清大化學系教授、系主任、所長,IBM 研究顧問化學家;合創科學月刊

因為我們確信量子系統一般無法在傳統電腦上有效模擬,量子運算未來最重要的應用可能是量子系統的電腦模擬。——David Deutsch「量子計算之父」

量子革命啟航,2025 年迎來國際量子年。圖 / unsplash

量子物理學誕生於 1900 年初期,源自普朗克(Max Planck)及愛因斯坦(Albert Einstein)等人為了解釋古典物理學無法解釋的黑體輻射和光電效應,提出能量「量化」的奇怪觀念。1920 年代,玻爾(Niels Bohr)、薛定諤 (Erwin Schrödinger)、海森堡( Werner Heisenberg)、玻恩(Max Born)和狄拉克(Paul Dirac)等物理學家為量子力學建立了更完整的數學框架,從而形成了微觀世界的物理理論。最近由於以它為基礎的計算技術不斷有「突破」性的進展,聯合國便迫不及待宣布 2025 年為國際量子科學技術
年。

筆者在芝加哥大學攻讀的是量子化學,博士班資格考試選的是物理化學、無機化學、及物理系的物理數學,論文用的理論工具是「量子」物理,實驗工具是「計算機」,因此應該是位「量子計算機」專家了,但慚愧的是:儘管市面上已經出現許多有關量子計算機的報導,但筆者除了知道其所用的物理原理(參看「延伸閱讀」)外,卻完全不知所云!

查了一下台灣兩大科普雜誌,發現《科學月刊》與《泛科學》都沒報導過!顯然這不是一篇容易寫的科普文章。但因其重要性,及對科普的喜好,在猛 K 一個月後,筆者謹在此先野人獻曝,報導點心得,望能拋磚引玉將來有專家為我們寫一篇更詳細及深入的介紹。在進入本文之前,得預先警告:筆者深深了解數學公式會嚇跑讀者,但是幾經考慮後,覺得不用點數學顯然不能點出量子計算機的骨髓。對數學不感興趣的讀者事實上不需要深入了解:只要從那些數學中看出量子計算機的運算不是確定性的「加減乘除」、而是操縱或然率的「量子物質狀態」改變(「量子位元」一節)即可。如果真的不想看到數學公式,可以跳過「量子閘」及「量子計算機」二節。

量子計算機的起源

20 世紀 80 年代初,美國阿貢國家實驗室(Argonne National Laboratory)貝尼奧夫(Paul Benioff)發表四篇量子計算基礎的開創性論文,證明計算機可以按照量子力學定律運行;費曼(Richard Feynman)獨立提出了量子計算的想法,認為基於量子原理的計算機可以高效地模擬量子系統,克服對於一般電腦來說難度呈指數級增長的計算任務。1985 年牛津大學物理學家德意志(David Deutsch)以費曼和貝尼奧夫的思想為基礎,提出了通用量子計算的概念,並設計出一個適用於量子計算機的演算法。

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要了解這些量子計算想法之前,我們得先了解一下現行的(傳統)計算機。

傳統計算機

人類因為有 10 個指頭,所以採用十位元的運算方法,即 0,1,…9;9 再加 1 就進位成 10(借用別人的手指)。當初設計計算機的人也許因為只有兩根手指的關係,卻採用「二位元」(bit)的運算方法,即 0 與 1;1 再加 1 就進位成 10(= 十位元的 2)。事實上這樣的計算法在電路設計上是比較容易的:接近 0 伏特的電壓(通常稱為「低」)表示邏輯 0,而較高的電壓(通常稱為「高」)表示邏輯 1。計算機就是靠這樣的線路及所謂「邏輯閘」(logic gate)來達成計算的任務,如圖一:2 個「二位元」數 A2A1 及 B2B1 相加的計算機線路圖。

圖 / 作者提供

「邏輯閘」的目的是將輸入(input)依照所設計的邏輯改成單一的輸出(output)。例如將(0,1)輸入「AND 閘」,圖一的邏輯表告訴我們它將輸出 0;(1,1)將輸出 1,…。又如將(0,1)輸入「XOR 閘」,它將輸出 1;(1,1)將輸出 0,…。讀者應該不難用圖一的線路計算出 10+11=101(O3O2O1);10+01=011;11+11=110;…。

如果要增加「二位元」的數目[如 3 個「二位元」、4 個「二位元」…,或 8 個「二位元」的「位元組」(byte)],只要重複複製圖一 a 及 a′ 之間的線路,將它連在最後一個 a′ 上即可。所以(傳統)計算機的設計是透過「邏輯閘」操縱「二位元」來達到計算的目的。

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所以要使用傳統計算機來「解決問題」如微積分方程式或製定更好投資策略時,必須先將它們「改寫成」加減乘除及簡單邏輯(如 x 則 y)的「運算問題」。

量子位元

量子計算機也是採用「二位元」的運作,但其「二位元」非常不同於上面所提到之「二位元」:

(1)它的 0 與 1 不是電壓的不同,而是物質狀態的不同,稱為 |0> 與 |1>;

(2)它可以有同時存在於 |0> 與 |1> 的「量子疊加」狀態(quantum superposition state,註一),例如 |x>=α|0>+β|1>(|α|2+|β|2=1);

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(3)當你去測量時,因「波函數坍縮」(wave function collapse)只能得到或然率分別為 |α|2 及 |β|2 的 |0>或 |1> 狀態而已,不能有中間的混合態!

這樣的「二位元」因為具有量子物理的特性,因此稱之為「量子位元」(qubit)。原子的自旋(spin)就是具有這樣的特性,因此可作為量子計算機的「量子位元」。

等一等,電壓不是也可以模擬(1)及(2)嗎?例如 0 代表 0 伏特電壓,1 代表 5 伏特電壓,那麼 0.8(4伏特電壓)不是代表由 80% 的 5 伏特電壓和 20% 的 0 伏特電壓組成的嗎?原則上不錯,但就出現了一個實際設計上的問題:電壓一定要很穩定(註二)。這事實上正也是量子計算機設計上的最大挑戰之一:如何保持「量子位元」的穩定?設計高品質的「量子位元」極具挑戰性:如果「量子位元」與其環境沒有充分隔離,它就會遭受「量子退相干擾」(quantum decoherence),在計算中引入雜訊、錯誤、或崩潰。當然,電壓是沒辦法模擬(3)的:如果允許「疊加」態,測量電壓只能得到「疊加」電壓 4 伏特,不可能量到 0 伏特或 5 伏特。但事實上更嚴重的問題是:電壓沒辦法模仿兩個「量子位元」的「量子糾纏」(quantum entanglement)態:

χ>=12(00>+11>)

這狀態是由兩個「量子位元」組成的,而每個「量子位元」是由兩個狀態組成,因此理論上應該共有四個狀態(00, 01, 10, 11)才對;但上式中卻缺少了 |01> 及 |10> 兩個狀態!

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量子(邏輯)

量子計算機的設計與傳統計算機類似,不同的是它用「量子邏輯閘」(quantum logic gate)來操縱「量子位元」。在量子電路模型中,「量子邏輯閘」(或簡稱「量子閘」)是在某些量子位元上運行的基本量子電路,它們是量子電路的組成部分,就像傳統邏輯閘是傳統數位電路的組成部分一樣。在介紹「量子閘」之前,因為「量子位元」可以同時存在於 |0> 與 |1> 之間的狀態,因此用向量(vector)及矩陣(matrix)來表示將比較方便。例如以 |0> 及 |1> 為基底向量(basis vector,可以想成傳統上的 XY 座標軸),「量子位元」|0>、|1>、|x>=α|0>+β|1>將分別為:

如果用向量來表示量子位元,那麼「量子閘」將是一矩陣。

傳統計算機中的「NOT 閘」將 1 改成 0 輸出、0 改成 1 輸出,量子計算機中也有類似的「NOT 量子閘」能將 |0> 改成 |1> 輸出、|1> 改成 |0> 輸出、上面的 |x> 改成:

1α2+β2[βα]

輸出。

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「阿達瑪閘」(Hadamard gate) 是一基本量子閘,它能將量子位元從單一的確定狀態(|0⟩ 或 |1⟩)轉換為測量任一結果均為 50% 機率的量子疊加態(參見圖二)。「CNOT 閘」是一雙量子位元操作閘:

[1000010000010010]

作用於 H|0> 及另一 |0> 結合的雙量子位元可以得到一量子糾纏態,其電路圖為

圖 / 作者提供

量子計算機

在結論前讓我們在此以一實際的例子來說明量子計算機可能提供的優勢。為了避免難懂的數學,我們在這裡只能用一最簡單的、不實用、但在開發量子演算法技術上佔有很重要歷史地位的例子:1985 年「量子計算之父」所提出的德意志演算法。德意志演算法用量子計算機解決了一個簡單的問題:給一只能輸入 0 或 1、只能傳回 0 或 1 的函數 f(x),我們如何知道 f(0) 是否等於 f(1)?

圖 / 作者提供

圖三告訴我們如果用傳統的計算機,我們必須用 0 及 1 分別詢問這個函數兩次才可能得到答案:0 表示 f(0)=f(1);1 表示 f(0)≠f(1)。但因為量子位元可以有疊加狀態,我們可以先透過「阿達瑪閘」將 |0> 轉變成 |0> 及 |1> 疊加態後再詢問

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Q f : [ ( 1 ) f ( 0 ) 0 0 ( 1 ) f ( 1 ) ]

得到答案後再透過一次「阿達瑪閘」,我們就可以測量結果:如果測得 |0> 則表示 f(0)=f(1); 測得 |1> 則表示 f(0)≠f(1)。有興趣的讀者不妨親自演算一下,驗證筆者沒有算錯(註三)。

德意志演算法利用了量子力學的疊加性及波函數的干涉性,成功地只詢問一次就得到了答案,所以我們可以在這裡吹噓:量子計算機只要用傳統計算機一半的時間就可以解決問題。事實上 Lov Grover 1996 年提出一個搜尋(註四)演算法證明了:當傳統計算機需要使用 ~N 次詢問才能得到答案,量子計算卻只要使用 次求值,就能以高機率找到產生特定輸出值之黑盒函數的唯一輸入(註五):也就是說如果傳統計算機需要 100 年,量子計算機只需要 10 年!所以量子計算機將全面改變我們的…(請讀者填空)。但這不是好像看到一隻黑烏鴉,就說全世界烏鴉都是黑的一樣嗎?

結論

希望在瞰完本文後,讀者對量子計算機有初步的了解,不再只是個空洞的名詞而已。像其它新興科技一樣,我們將時常看到充滿著樂觀、承諾、與「突破」的報導,如去年底谷歌(Google)宣稱「(新的量子晶片)在不到五分鐘的時間內完成了一個「標準基準計算」(standard benchmark computation),而當今最快的超級電腦則需要 1025 年―這個數字遠遠超過了宇宙的年齡」,及最近微軟(Microsoft)發布了全球首款採用拓撲核心架構的量子晶片,謂創建了更穩定、可擴展的量子位元,「有望」讓量子計算機「更接近」解決複雜問題。

但我們都知道量子物理已經有百年的歷史,這知識為我們創造了空前的社會繁榮,因此我們不免要問:以它為基礎的量子計算機科技,為什麼經過了 40 年還是只停留在完成「標準基準計算」、「有望」、更接近」、…等等「空談」的階段,交不出一張實用的成績單(註六)?…什麼時候它才能真正為我們解決一有「突破」就被提到的複雜問題,如增強網路安全,徹底改變材料科學、新藥、和醫學的研發,優化財務模型、製定更好的投資策略等等承諾?

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量子計算之父德意志說:「因為我們確信量子系統一般無法在傳統電腦上有效模擬,量子運算未來最重要的應用可能是量子系統的電腦模擬。」諾貝爾物理獎得主費曼也持相同的看法。現在報章雜誌的報導都是渉及量子計算機所面臨的硬件設計挑戰;但翻閱證明其可行性的演算法後,筆者覺得如何將上面所提到之巨觀世界的實用問題,「改寫成」能利用量子運算獨特功能來解決之微觀世界的量子系統,可能才是一項更重大千萬倍的挑戰!

圖 / US National Weather Service

這使筆者想起了核融發電的問題。第一顆使用核子分裂的原子彈於 1945 年 8 月在日本廣島爆炸,6 年後年美國愛達荷州的實驗增殖反應器用核分裂產生可用電力,又三年後蘇聯的奧布寧斯克核電廠將核能所產生的電連結到電網。1952 年 11 月 1 日美國在馬紹爾群島引爆了第一顆氫彈。氫同位素核融反應除了比核分裂釋放更多的能量外,不會產生有害的長期放射性廢物;加上氫或氘在自然界中既便宜又豐富,為一種長期、可持續、經濟和安全的發電能源燃料,因此核融發電成為 1950 年代後期全世界先進國家追求的目標;報張雜誌三不五時便有「突破」的報導;但 1960 年到現在,65 年過去了,我們還是「祇聞樓梯響,不見人下來」,甭說看不到一座實用的核融發電廠,能勉強收支平衡的實驗就算是「突破」了。筆者認為量子計算機很可能將步其後塵:雷聲大雨點小、或根本不下雨(註七)!

註解:

  • (註一)許多科普文章多用「丟擲硬幣來比喻」,謂在空中旋轉之硬幣就是同時存在於正、反兩面的狀態。這顯然完全不懂量子物理:在空中旋轉之硬幣從來沒有同時存在於兩種狀態,它只是很快地在兩種狀態中轉來轉去而已!
  • (註二)正是因為要避免這一問題,所以傳統計算機設計採用「有」與「沒有」的二元電壓。不只如此,早期的計算機為了偵測錯誤,8 位元的位元組還多加了一位冗餘位元(詳閱「錯誤訊息的偵測與修正」,科學月刊 2009 年 3 月號或《我愛科學》)。
  • (註三)先謝了。但請注意:筆者忽略了要求或然率等於 1 的常數如 1/2。
  • (註四)在未以任何特定方式排序或組織的N項資料庫中尋找特定項目。
  • (註五)因為傳統計算機每次只能問一項,所以大約要問 N 次才能得到答案;量子計算機可以「疊加」態一次詢問所有的項目,但因天下沒有白吃的飯,所以每次詢問只能得到或然率的答案,需要重複詢問 ~N 才能將或然率提高到相當肯定的地步。
  • (註六)寫到這裡筆者突然了解為什麼一直對量子計算機「突破」的報導不感興趣:一則沒有新理論,再則好像全是空談,沒有解決實際問題的內容。
  • (註七)2023 年 5 月,領導微軟量子運算工作的副總裁、「技術院士」 Matthias Troyer 在《ACM 通訊》上撰寫了一篇題為「擺脫炒作與實用性:切實實現量子優勢」(Disentangling Hype from Practicality: On Realistically Achieving Quantum Advantage)的論文,指出量子電腦能夠提供有意義優勢的應用數量比某些人認為的要有限;謂量子電腦只有在解決小數據問題時才能真正發揮其指數級加速的作用。他補充說:「其餘的都是美麗的理論,但不會付諸實踐」。

延伸閱讀:

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賴昭正_96
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成功大學化學工程系學士,芝加哥大學化學物理博士。在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。一直想回國貢獻所學,因此畢業後不久即回清大化學系任教。自認平易近人,但教學嚴謹,因此獲有「賴大刀」之惡名!於1982年時當選爲 清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長;但壯志難酬,兩年後即辭職到美留浪,IBM顧問研究化學家退休 。晚期曾回台蓋工廠及創業,均應「水土不服」而鎩羽而歸。正式退休後,除了開始又爲科學月刊寫文章外,全職帶小孫女(半歲起);現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。首先接觸到泛科學是因爲它轉載我的科學月刊上的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」。

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害怕做胃鏡?膠囊內視鏡提供無痛新選擇
careonline_96
・2025/07/11 ・2215字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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提問:請問何時會建議接受胃鏡檢查?

李青長醫師:因為胃鏡的檢查,我們是從喉嚨進去,經過食道、到胃、到十二指腸的一個完整的影像檢查。所以當病人他如果有一些吞嚥困難、喉嚨不適、有異物感,或是長期有一些溢酸水、火燒心的狀況,或是上腹痛,或是說他有解黑便的現象、體重減輕,或是他長期、或是這段時間有在使用止痛藥的病人,都是做胃鏡的適應症。

提問:如果沒有任何症狀,需不需要做胃鏡?

李青長醫師:其實胃癌、食道癌的初期,病人是沒有什麼症狀的。所以你以症狀來區分說要不要做胃鏡,其實是有些風險。所以我會建議說,有胃癌、有食道癌的家族史,或者是說本身你有抽菸、喝酒,或長期使用一些止痛藥物的病人,其實你是可以定期的接受胃鏡的檢查,以期能早期發現病灶,做早期的治療。

提問:請問胃鏡檢查的方式有哪些?

李青長醫師:傳統的胃鏡是 0.8 公分的直徑,經鼻的胃鏡是 0.4 公分的直徑。 另外一個就是可以做膠囊內視鏡,它可以清楚地呈現食道、胃、十二指腸的影像診斷。

提問:請問傳統胃鏡的禁忌症為何?

李青長醫師:第一個,有不穩定的心肺功能的狀況,譬如說最近有心肌梗塞,或者是說他是慢性阻塞性肺病的病人、有睡眠呼吸中止症,或是肥胖的病人,其實這些都是做傳統內視鏡相對的禁忌症。另外一種病人就是說有出血傾向的病人,比如說他有在吃一些抗凝劑、沒辦法停藥的病人。第三類的病人來講的話,高麻醉風險的病人,或者他對麻醉鎮靜劑過敏的病人來講,其實他都是接受傳統胃鏡檢查的禁忌。

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提問:請問什麼是膠囊內視鏡?

李青長醫師:膠囊內視鏡就是把傳統的一公尺長的內視鏡,縮小成五塊錢硬幣大小的一個膠囊,就跟魚肝油膠囊一樣,一個那麼小的膠囊,吞服上可以讓病人降低他的不適感。所以做膠囊內視鏡,它不需要麻醉,而且它是一次使用性,不會有交叉感染的風險。對病人來講的話,在吞服以後,它不像傳統胃鏡檢查,你沒辦法說話。膠囊內視鏡的檢查過程當中,病人是可以自由跟醫生溝通,可以看著影像跟醫生對話,所以這是一個很好的醫病互動的檢查過程。

提問:請問哪些狀況適合使用膠囊內視鏡?

李青長醫師:第一個,年紀比較大的病人來講的話,他們對於做檢查的耐受度比較低的。第二個,從來沒有接受過胃鏡檢查、很焦慮的,尤其是年輕人,其實是適合做膠囊內視鏡的檢查。還有就是說,他是高危險麻醉風險的病人,像肥胖的、或者做過胃繞道手術的,或是近期有心肌梗塞過的病人,或是說有睡眠呼吸中止症的病人,這些都是麻醉風險比較高的族群,他就適合做清醒的膠囊內視鏡的檢查。

提問:請問膠囊內視鏡的檢查流程?

李青長醫師:為了確保影像的清晰,所以我們會請病人在檢查前空腹六到八個小時。來以後,我們就讓他配水吞服膠囊內視鏡。在這個過程當中,我們就可以立即地做影像的呈現。因為施作當中,病人是清楚的,而且他因為沒有傳統胃鏡的束縛,所以醫病之間是互相溝通,看著影像討論。原則上它會完整的呈現從食道、胃、到十二指腸的影像,整個檢查過程,大概10到15分鐘。

提問:請問膠囊內視鏡的使用有何限制?

李青長醫師:因為膠囊內視鏡最主要還是要靠病人吞嚥下去,所以有吞嚥障礙的病人,或者有一類病人,就是他有裝心律調整器的病人,是沒辦法接受膠囊內視鏡的檢查。不然其他的只要能夠接受傳統內視鏡檢查的病人,都是可以做膠囊內視鏡。

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李青長醫師:有一個大概五十幾歲的病人,他是因為食道覺得有一點點異物感,可是他又很怕做胃鏡。後來知道我們有膠囊內視鏡的檢查以後,他來做了膠囊內視鏡。做了膠囊內視鏡以後,發現他在上消化道的地方有一個大概 0.5 公分的小小瘜肉。我們後來,請他去做了切片檢查以後,發現他是一個早期的食道癌。也因為他有早期接受膠囊內視鏡的檢查,沒有延遲治療的機會。所以說,瘜肉切除後,整個食道癌就治療結束,不需要再做任何的化療跟放射治療。

李青長醫師:現在有新的檢查工具,希望大家不要因為害怕做胃鏡,而耽誤到自己疾病治療的先機。您可以藉由這樣一個簡單的檢查,讓自己知道食道、消化道的健康狀況。有疾病,我們早點治療,沒疾病,我們要做好保養。我想這樣才能永保安康!

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