量子運算的進展：一個 qubit 接著一個 qubit

本文轉載自中央研究院「研之有物」，為「中研院廣告」

• 採訪撰文｜張琬婷
• 責任編輯｜簡克志
• 美術編輯｜蔡宛潔

水能被擠壓成冰？

水在攝氏零度以下會結冰。然而，當水被擠壓到極限時，會形成二維的奈米薄冰，不僅室溫下穩定存在，還有從未見過的鐵電特性（Ferroelectricity），而石墨烯則是實現這種擠壓條件的關鍵。中央研究院「研之有物」專訪院內原子與分子科學研究所的謝雅萍副研究員，她與我們分享了實驗室如何意外發現這層特殊的二維薄冰，以及團隊如何利用二維薄冰的鐵電特性製作有記憶電阻功能的奈米元件，研究成果發表在科學期刊《自然通訊》（Nature Communications）。

奈米尺度下，物質特性會跟著改變？

謝雅萍的主要研究題目之一就是合成新穎的二維材料，這是奈米科技的領域。奈米是什麼？奈米（nanometer）是長度單位，即 10^-9 公尺，一根頭髮的直徑長度約為 1 奈米的十萬倍。奈米尺度之下，很多物質的特性會隨之改變，最常見的例子是「蓮花效應」，因為蓮花葉上具有奈米等級的表面結構，為蓮葉賦予了疏水與自我清潔的特性，髒污與水珠都不易附著在蓮葉上。

奈米材料（nanomaterial）是指三維尺寸的材料，至少有一個維度的尺寸小於 100 奈米。只縮小一維，就是平面的二維材料（2D），例如石墨烯；縮小兩個維度，就是奈米線（1D）；三維都縮小，就是零維的奈米顆粒（0D）。

奈米科技（nanotechnology）的概念最早可追溯到 1959 年美國物理學家理查費曼（Richard Feynman）在演講中提出的願景「為什麼我們不能把大英百科全書全部寫在一根針頭上呢？」。1974 年日本科學家谷口紀男則是首度創造「奈米科技」這個詞的人，他認為奈米科技包括原子與分子層次的分離、固定與變形。

過去有不少科學家嘗試奈米材料的研發，但受限於製造技術不成熟，而無法順利製作出精細製程的奈米材料。1981 年，在掃描隧道顯微鏡（Scanning Tunneling Microscope, STM）發明之後，不僅有助於材料的微觀分析，操縱單個原子和分子也成為可能，奈米科技也逐漸實現。

無處不在的奈米科技？

我們生活周遭的奈米科技俯拾即是，從大賣場商品到半導體產業的電子元件都有。謝雅萍舉例：防曬霜之所以是白色，是因為裡面有二氧化鈦的奈米顆粒；許多塗料與噴漆亦會以奈米添加物，來增進耐蝕、耐磨、抗菌與除汙的特性，例如汽車鍍膜或奈米光觸媒；羽球拍或牙醫補牙會使用奈米樹脂，讓球拍和補牙結構更堅固。

至於半導體產業，奈米科技更是關鍵。透過縮小元件尺寸以及調整奈米元件的幾何形狀，以便於在單一晶片上乘載更多電晶體。「當今的電晶體大小皆是奈米等級，製作電子元件就等同在處理奈米科技的問題」，謝雅萍說道。

實驗中的難題，反而促成驚奇發現？

鐵電性是什麼？二維奈米薄冰有哪些可能的應用方式？

對謝雅萍來說，發現二維的奈米薄冰是個意外的驚喜。最初謝雅萍團隊其實是要製作以石墨烯為電極的開關，畢竟石墨烯是實驗室的主要研究項目，理論上當兩層石墨烯很靠近時，分別給予兩端電壓會是導通的「ON」狀態，沒電時就是斷開的「OFF」狀態。

然而，實驗過程中團隊卻發現當電壓為零時，石墨烯開關仍會導通，甚至要給予負電壓時才會成為 OFF 狀態。這個奇特的現象讓研究團隊苦惱許久，嘗試思考了各種可能性，但都無法完善的說明此現象。

「原本以為實現石墨烯開關應該是一件能夠很快完成的題目，沒想到過程中卻出現了這個意料之外的難題，因此這個研究比預期多花了一兩年」，謝雅萍無奈地笑道。

靈感總是突如其來，某次謝雅萍在與朋友討論研究時，突然想到一個可能的方向：「一直以來都有人猜測水是否為鐵電材料，但都沒有真正證實。臺灣氣候潮濕，開關關不緊會不會就是水的影響？」

設計實驗跑下去之後，謝雅萍團隊終於擺脫了一直以來的疑雲。原來，兩層石墨烯結構中，真的有水分子的存在！「一般水分子用手去捏，還是會維持液體的狀態。但是我們發現，當水被兩層石墨烯擠壓到剩下原子厚度時，水分子就會變成具有鐵電特性的二維薄冰！」，謝雅萍開心地說道。

換句話說，當極限擠壓之下，水會結成冰，而這層超薄的平面奈米薄冰會轉變成鐵電材料，而且可以在室溫下穩定存在！

鐵電材料乍聽之下很抽象，謝雅萍表示：「相較於會吸磁鐵的鐵磁材料，大多數人對鐵電材料比較不熟悉，其實概念十分相似」。她說，鐵磁材料經過外加磁場的「磁化」之後，即使不加磁場仍可維持原本的磁性。相對地，鐵電材料經過外加電場的「極化」之後，即使不加電場仍可維持原本的電荷極化方向。

謝雅萍團隊發現的二維冰具有鐵電性，這意味著水分子的正負極在外加電場之下會整齊排列，形成一個永久的電偶極，並且在電場消失後保持不變。

接著，謝雅萍發現，二維冰的鐵電性只存在於單層原子，增加多層原子之後，鐵電性會消失，變成普通的冰，這是因為多層原子的交互作用會打亂原本的極化排列。因此研究團隊發現的二維冰，是非常特殊的固態水，不是手搖飲加的冰塊那麼簡單。

因為石墨烯的擠壓和固定，二維冰可以在室溫下穩定存在，不會蒸發。謝雅萍團隊實驗發現，要升溫到攝氏 80 度，被夾住的二維冰才會變成水。如此大範圍的操作溫度，這讓謝雅萍開始思考將二維冰作為鐵電材料使用的可能性。

於是，謝雅萍團隊嘗試開發新型的電子元件，他們將二維冰與石墨烯整合成機械式的奈米開關。由於二維冰具有鐵電特性，在施加不同外加電壓之後，元件可以維持上次操作的電阻值，並保留至下次操作，有這種特性的元件稱為「憶阻器」（memristor）。

憶阻器這個詞是由記憶體（memory）與電阻（resistor）組合而成，字面上的解釋便是：具備記憶先前電阻值的能力。

謝雅萍表示：「我們可以藉由不同的外加大電壓寫入電阻值，再以微小電壓讀取之前的電阻值，允許快速存取」。而單獨一個二維冰奈米開關可以記住 4 個位元的資料，具備未來記憶體的發展潛能。

此外，二維冰奈米開關也是很好的開關裝置，團隊驗證導通電流和截止電流的比值可以達到 100 萬，開路和斷路的功能極佳，並且允許雙向操作。而開關的功能經過 1 萬次循環還不會衰減，相當穩定。

謝雅萍團隊是全世界第一個證實二維薄冰鐵電性的團隊，並實現第一個以石墨烯為架構的二維冰機械式憶阻器。她的團隊將往新穎二維材料的方向繼續邁進，目前實驗室有和台積電（TSMC）合作，希望透過產學合作，將更多奈米技術的應用落地實現。

與二維材料實驗的相遇？

謝雅萍目前除了是中研院原分所的副研究員，同時也是國立臺灣大學 MY Lab 實驗室的共同主持人，她和人生伴侶 Mario Hofmann 教授共同指導的 MY Lab 發揮了 1+1>2 的效果，創意與想法的激盪和交流，是產生傑出研究的關鍵。

回到碩博士時期，謝雅萍都在臺大物理所，鑽研材料的光電性質與新穎光電元件的機制。她回憶：「當時我們都要向化學系要材料，他們給什麼我們就得用什麼，但難以了解整個材料製造的細節。」後來她體認到，擁有製造材料的調控能力才能真正突破元件設計上的侷限。

謝雅萍在博士班時申請到了千里馬計畫，讓臺灣博士生獲得國科會補助前往國外頂尖研究機構，進行為期約半年至一年的研究。「我認為這個計畫非常好，也可以幫助學生建立重要人脈！」在指導教授引薦下，謝雅萍因緣際會進入美國麻省理工學院（MIT）的二維材料實驗室，自此與二維材料結下不解之緣，她認為：「好材料與好元件是相輔相成的，前瞻材料更是如此。」

「我到了 MIT 之後，深刻體悟到他們做研究的態度與臺灣學生的不同。臺灣學生像是把研究當作一份工作，然而我在 MIT 時就感受到他們學生對於自身研究的熱忱。討論風氣也非常盛行，學生之間會互相分享自己的研究內容，互相幫忙思考、激盪出新想法」，謝雅萍分享自己在 MIT 時期的觀察。

當年二維材料還在萌芽階段，她所在的 MIT 實驗室已是此領域的佼佼者，她也因此立下了目標：「希望未來我有能力時，能夠自己掌控自己的材料做出好元件！」如今，謝雅萍正走在自己目標的道路上，過去認識的朋友也都是各頂尖大學的二維材料實驗室主持人，直到現在都還會互相幫忙。

從物理到二維材料，身處這些男性為主的學術環境，謝雅萍顯得自在，而且積極參與討論和交流。「我發現女科學人會把自己變得較中性，讓自己融入整個以男性居多的環境中，才不會在團體中有突兀的感覺」，她分享道。

謝雅萍的實驗室 MY Lab，是與臺大物理系 Mario Hofmann 教授共同主持的奈米科技實驗室，他們除了是工作上的夥伴，更是人生中的最佳拍檔！當初兩人就是在美國麻省理工大學 MIT 相識，再一起回到臺灣。

讓「研之有物」團隊好奇的是：這種共同主持的模式與一般實驗室相比，是否有特別之處？

「從多個面向而論，我認為都是 1+1>2 的」，謝雅萍說道，「實驗室會有兩倍的資源、儀器、計畫與兩倍的人脈。遇到一個題目，兩個人思考時會從不同的觀點切入。即便是夫妻，我們在研究上看的面向也都不一樣，因此可以激盪出許多有趣的想法」。

她補充，不僅對實驗室本身而言，對學生也有很大的好處，「因為學生的研究必須同時說服我們兩個人，代表學生的研究成果會非常扎實，也可以為學生帶來信心。」重要的是，「學生也會得到兩倍的照顧與關愛，我覺得我們的學生是蠻幸福的」，謝雅萍笑笑地說。

在市面上，我們常會看到號稱運用量子力學原理的商品或課程，像是量子內褲、量子能量貼片、量子首飾、量子寵物溝通、量子速讀、量子算命、量子身心靈成長課程等等。有人說，量子力學代表了意識具有能量，藉由調整心靈的共振頻率，就能保持身心健康，只要你利用量子力學原理進行療癒或冥想，就能提昇自己的能量，人能長高、身體變壯、每次考試都考一百分；又像是，量子力學就代表一種信息場，讓你跟別人有心電感應，只要轉念，讓宇宙能量幫助你，你就能發大財還能避免塞車。也有人說，別人吃一個下午茶，你也馬上吃一個下午茶，別人喝一杯咖啡，你也馬上喝一杯咖啡，別人跟家人吵架，你也馬上找一件事跟家人吵架，這就是量子糾纏。

然而，量子到底是什麼？跟身心靈、宗教和玄學真的扯得上關係嗎？是否真能幫助你維持健康又賺大錢呢？

在這一系列影片裡，我們就要來討論，量子力學的原理為何？背後又是基於哪些科學的研究成果。等你看完之後，相信對於量子力學跟上述五花八門商品究竟有沒有關係，心裡自然會有所答案。

量子力學和意識有關？

坊間常會聽到量子力學跟意識有關的說法；或許也是因為這樣，量子力學被許多身心靈成長課程甚至玄學拿來作為背書。但，量子力學真的是這樣子嗎？

說到量子力學跟意識的關係，我們就必須來看看，量子力學最著名的實驗之一，20 世紀的物理學大師費曼（Feynman）甚至曾經說過，這個實驗「包含了量子力學的核心思想。事實上，它包含了量子力學唯一的奧秘。」它，就是雙狹縫干涉實驗。

雙狹縫干涉實驗

現在我拿的器材，上面有兩道狹縫，中間間隔了非常短的距離。等一下，我們會讓雷射光通過這兩道狹縫，看看會發生什麼事。

我們看到，雷射光在打向雙狹縫之後，於後面的牆上呈現有亮有暗的條紋分布，這跟我們在國、高中學過的波的性質有關。

在兩道光波的波峰相會之處，會產生建設性干涉，即亮紋的位置；而暗紋的部分，則是來自破壞性干涉，是兩道光的波峰和波谷交會之處，亦即，光的效應被抵銷了。

在歷史上，雙狹縫干涉實驗占有非常重要的地位。19 世紀初，英國科學家、也是被譽為「世界上最後一個什麼都知道的人」的湯瑪士．楊（Thomas Young），利用雙狹縫實驗，證明了光是一種波。

那麼，如果我們拿不是波的東西，來進行雙狹縫實驗，會看到什麼結果呢？讓我們試驗一下。

現在我手邊有一堆的彈珠，前面是用紙板做成的兩道狹縫，後面則是統計彈珠落點的紙板。我們讓這些彈珠朝狹縫的地方滾過去，並在彈珠最後的落點劃下記號；若在同樣位置的記號越多，就代表有越多彈珠打中該位置。

在丟了一百顆彈珠之後，我們可以看到，扣除掉一部份因為路徑被擋住、通不過狹縫的彈珠之外，彈珠最終抵達的位置，大致分別以兩道狹縫的正後方為最多，呈現兩個區塊的分布，不像先前光的雙狹縫干涉實驗中，出現明暗相間的變化。

所以，我們得到結論：若是拿具有物理實體的東西進行雙狹縫實驗，因為其一次只能選一邊通過，所以落點最終只會聚集在兩個狹縫後方的位置；而且要是行進的路徑不對，還可能會被擋住。

至於波的情形，那就不同了，只要狹縫的大小適當，波可以同時通過兩個狹縫，並互相干涉，產生明暗相間的條紋。

換言之，是波，還是物質，兩者在雙狹縫實驗的表現是截然不同的。

只不過，以上的實驗似乎並沒有什麼太令人感到意外的地方，我們也看不出來，它跟量子，還有意識，到底有什麼關係？事實上，若要真正顯示出它的獨特之處，就要來看電子的雙狹縫干涉實驗。

電子的雙狹縫干涉實驗

我們知道，電子是組成原子的基本粒子之一，而原子又組成了世間萬物。可以說，電子是屬於物質的一種極微小粒子。

在電子的雙狹縫干涉實驗，科學家朝雙狹縫每次發射一顆電子，並在發射了很多顆電子之後，觀察電子的最終落點分布會怎麼呈現。

既然電子是物質的微小粒子，那麼在想像中，應該會跟我們前面使用彈珠得到的結果差不多，電子會分別聚集在兩道狹縫後方的區域。

從實驗的記錄影片中可以看到，在一開始、電子數量還很少的時候，其落點比較難看得出有明顯規律，但隨著電子的數目越來越多，我們慢慢能夠看出畫面上具有明暗分布，跟使用光進行雙狹縫實驗時得到的干涉條紋，有著類似的結構。

這樣的結果，著實令人困惑。直覺來想，既然電子是一顆一顆發射的，它勢必不可能像光波一樣，同時通過兩個狹縫，並且兩邊互相干涉，產生明暗相間的條紋。

但無可否認，當我們用電子進行雙狹縫實驗時，最後得到的結果，看起來就跟干涉條紋沒什麼兩樣。

對這出人意表的觀測結果，為了搞清楚發生什麼事，科學家又做了更進一步的實驗：

在狹縫旁放置偵測器，以一一確認這些電子到底是通過哪一個狹縫、又如何可能在通過狹縫後發生干涉。

這下子，謎底就能被解開了――正當大家這麼想的時候，大自然彷彿就像在嘲笑人類的智慧一樣，反將一軍。

科學家發現，如果我們去觀測電子的移動路徑，只會看到電子一顆一顆地通過兩個狹縫其中之一，並最終分別聚集在兩個狹縫的後面――換言之，干涉條紋消失了！

在那之後，科學家做過無數類似的實驗，都得到一樣的結果：只要你測量了電子的路徑或確切位置，那麼干涉條紋就會消失；反過來說，只要你不去測量電子的路徑或位置，那麼電子的雙狹縫實驗就會產生干涉條紋。

在整個過程中，簡直就像是電子知道有人在看一樣，並因此調整了行為表現。

在日常生活中，若有人要做壞事，往往會挑沒人看得到的地方；反過來說，當有其他人在看，我們就會讓自己的言行舉止符合公共空間的規範。

量子系統也有點像這樣，觀測者的存在與否，會直接影響到量子系統呈現的狀態。

只不過，這就帶出了一個問題：到底怎麼樣才算是觀測？如果我們在雙狹縫旁邊只放偵測器不去看結果算嗎？我們不放偵測器只用肉眼在旁邊看算嗎？或是，整個偵測過程沒有人在場算嗎？

這就是量子力學裡著名的觀測問題（measurement problem）。

結語

在量子力學剛開始發展的數十年，有許多地方都還不是那麼清楚，觀測問題就是其一。在歷史上，不乏一些物理學家，曾經認真思考，是否要有「人的意識」參與其中，才能代表「觀測」。

如果真是這樣的話，那麼「意識」就存在非常特別的意義，而且似乎暗示人的意識能夠改變物質世界的運作。

可以想見地，上述出自量子力學觀測問題的猜測，後來受到部分所謂靈性導師跟身心靈作家的注意，於是，形形色色宣揚心靈力量或利用量子力學原理進行療癒、冥想或身心靈成長的偽科學紛紛出籠，直到近年都還非常流行。

另一方面，可能因為量子兩個字帶給人一種尖端科學的想像，坊間琳瑯滿目的商品即使跟量子力學一點關係都沒有，也都被冠上量子兩字；除此之外，商品宣傳裡也常出現一堆量子能量、量子共振等不知所謂的概念，不然就是濫用量子力學的專有名詞如量子糾纏、量子穿隧等，來幫自己的商品背書。只要有量子兩字，彷彿就是品質保證，讓你靈性提升、身體健康、心想事成。

對此，我就給三個字：敢按呢（Kám án-ne）？

事實上，量子力學至今仍是持續演進的學問，我們對量子力學的理解也隨時間變得越來越豐富。現代的物理學家，基本上不認為我們可以用意識改變物質世界，也不認為「意識」在「觀測」上佔據一席之地，甚至可以說正好相反，人的意識在觀測上根本無關緊要。

不過，我們不會那麼快就直接進入觀測問題的現代觀點。在之後接下來的幾集，我們會先從基本知識開始說起，循序漸進，讓你掌握量子力學的部分概念。而在本系列影片的最後一集，我們才會重新回到觀測問題，並介紹量子力學領域近幾十年來在此問題上獲得的進展。

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功與工作

有些大家慣用的字彙常常會被專業學科借用，專家賦予這些字新的定義，比平常的意思更具體、也更有技術性。物理學有個例子是「功」（work）。如果向一個粒子施加定力，並推動一段距離，你所做的功就定義為施力（沿著粒子運動方向的分量）乘上粒子移動的距離。

這是個很具體的物理量，實際上也是能量的一種形式。做多少功，物體的能量就會增加多少。顯而易見的，這個定義和日常生活中我們對工作（work）的理解有點相關：世人為了完成一些目標（大多是想獲取金錢報酬），而費心費力工作。

不過，物理所講的功有明確的意義，使用的範圍也很清楚；相較之下，平常大家說的工作的意思就有些模糊，泛指很多事情。

動力與動量

動量（momentum）這個字看來不太一樣。物理學的動量是 γmv（相對論的珈瑪符號乘上物體靜止質量、再和物體速度相乘），是一種量化方式，用來描述粒子以已知速率往某個固定方向持續前進的傾向。若粒子的速率遠比光速小，γ會非常接近一， 所以能省略掉。

而更廣義的動力（momentum）用來指稱政治運動，或其他社會變動及政策背後的推力。同樣的，一件事的動力愈大，也暗示它愈難停下。不過，這些領域都沒有明確定義何謂「動力」。

物理學中的「場」

到目前為止，我試著不要太常用一些字，但在之後的章節這些字會很常出現。其中一個就是「場」（-eld）。通常場是一片平坦土地的代稱，上頭種了些植物，可能有農夫在照顧，也許還會有幾頭乳牛。

此外這個字也可以代表特定的研究領域或專業，往前翻你就會知道我已經用過這個意思了。這兩個意思其實也可以合併使用，像在解釋稻草人為什麼可以獲得終生教職的時候，就會用到。

物理學的「場」有個更技術性，但還是和前面意義相關的定義。物理學家說的場是個物理量，在空間中某個區域的每個點上都有特定的對應值。如果你待在一個房間內，就可以用各式各樣的場來描述這個環境。身為一位物理學家，你或許會這麼做：

首先你要想出一個方式來明確指出房間中的每一個點。有個好辦法是先選定房間地面的某個角落為「原點」。

然後選取交於原點的其中一個牆面，沿著地面平行於這面牆的方向走過一段距離（稱為x）；接著再順著平行另一面牆的方向走一段（稱為y），你就能碰到地上所有的點。進一步的，只要往上走段距離（叫作z），就可以抵達房間內所有的點了。你需要的只有三個數字：x、y、z。

幾種有用的場

現在可以來談談幾種有用的場了。舉例來說，溫度就是一種場，房間裡的每一點都有一個溫度值。假設平均來看，我們說房內的溫度是攝氏二十一度；如果房間中每一處的溫度都和平均值一樣，那麼你得到的就是一個常量場（constant field）：場的值和點的位置無關，也就是和x、y、z沒有關係。

然而，天花板附近的溫度很有可能比地面的高出一點，因為熱空氣的密度比冷空氣小，會升向天花板。我們可以用某個場來描述溫度與高度的關係，好比T(z)，換句話說，溫度T只和高度z有關。

T是z的函數（function。另一個生活常用字「功能」，這次是被數學家借去用了），可能像T(z) =20.5 + 0.5z，這裡的z以公尺為單位、而T以攝氏溫標（℃）為單位，舉例來說。在兩公尺高的房間內，地面的溫度是 20.5 + 0.5×0 = 20.5℃，而天花板的溫度則是 20.5 + 0.5×2 =21.5℃。

至於天花板和地板之間其他每一點的溫度，都可以用這個溫度場的函數計算出來。其他的場可以用來描述不同的事情，好比空氣密度，或甚至是噪音量。

以上所談的場在每個點都只由一個數字代表。這些場有大小，卻沒有方向。因此我們稱它為「純量場」（scalar -eld）。「純量」（scalar）代表只有大小、卻沒有方向的東西。

某些種類的場則擁有方向，我們叫這種場為「向量場」（vector field）。我之前有提到一些向量場的例子，像是大型強子對撞機的磁鐵製造的電場與磁場。這個房間也有重力場這個向量場。重力場在房內的每一點都有個值（力的大小大約是每公斤九．八牛頓），以及方向（指向地面）。

實際上，電場和磁場都是量子場，重力場可能也是，但科學家還不清楚相關理論。在日常用途中這件事常被忽略掉，但如果你在極小的尺度下觀察這些場，就會發現它其實不是個數值連續體，而是底層的量子場中一連串離散（discrete，意思是不連續，如階梯般一級一級，而不是如漸層色彩一樣柔和變化）的量子、或激發（excitation）的總和（疊加）。

這些激發有點像是波又有點像粒子。電磁學的量子理論―量子電動力學擁有兩個場，分別是光子場以及電子場。我們量測到的電磁波，或是獨立的光子及電子，都是這兩個場的激發。這裡我們又看到一個科學家借用日常名詞的例子。很明顯「激發」和平常我們的用法緊密相關，因為量子場論是個扣人心弦（exciting）的理論。

無論是不是量子理論，場的概念都是一樣的。場是個物理量，在你感興趣的空間範圍內的每一點，都擁有對應的值，可能是單純的數值或是很多個量子的總和。

——本文摘自《撞出上帝的粒子：深入史上最大實驗現場》，2022 年 12 月，貓頭鷹出版，未經同意請勿轉載。