提款機的運作原理—《知識大圖解》

鈔票上藏有許多防偽設計，令假鈔無所遁形

英格蘭銀行印製的鈔票上有許多防偽設計，讓人能一眼明辨真偽。紙鈔採用的棉紙觸感特殊；用手指撫過鈔票正面，還會發現紙面的特定區域有墨紋凸起；此外，每張紙鈔上還埋入了一條金屬安全線。

但其他設計可就較難發現了。用放大鏡檢視女王頭像下方，就會發現上面印有標示著紙鈔面額的微小字樣；迎光觀察鈔票，便能看到女王頭像的浮水印；在紫外線照射下，則會浮現出鮮亮的紅綠數字。

5 英鎊與 10 英鎊紙鈔上有立體的大不列顛女神（Britannia）全像圖；20 英鎊紙鈔上則是蘇格蘭哲學家亞當．史密斯的全像頭像。20 英磅與 50 英磅紙鈔上更有「正反面套印」設計，迎光透視時，鈔票正反面上的線條會組成英鎊的符號。

50 英鎊鈔票還多了項防偽設計：動態安全線。前後輕轉紙鈔，會看到該線產生光影變化；在紫外線下觀察時，可發現組成安全線的五個長方塊閃耀著綠色螢光。全球各國的紙鈔都有類似的防偽技術。

本文節錄自《How It Works 知識大圖解 國際中文版》第 27 期（2016 年 12 月號）

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想像以下這個情境：經過了一週的辛苦工作，你接受同事的邀約來到了酒吧，想在 Friday night 輕鬆一下。入座之後，你發現吧台上有位女子獨自一人。她身材姣好、面容清秀，不像是會來到酒吧的氣質，她肯定是遇上了什麼困難。她一個人在這裡喝悶酒，你的好同事們當然也都注意到了。而年過三十又沒有交往對象的你理所當然地擁有優先權，就在眾人的慫恿下，你鼓起勇氣緩緩地走向吧台。

「兩瓶啤酒！」你對酒保這麼說，希望輕鬆一點的飲料能帶來放鬆的氣氛。她向你看了一眼，似乎對陌生人的接近有點意外，但並沒有展現排斥的神情。你也就順勢地坐到她的身旁。接過啤酒後，你拿了開瓶器豪氣地開瓶。不料！這啤酒外表看似冰山，其內在卻是座火山！源源不絕的泡沫自瓶口不斷湧出，流滿了桌子，灑滿了褲子。在混亂之中她嚇得跳離你三步之遙，你慌張地看向酒保卻又壓抑不住心中的羞憤，回頭看看那群損友早已笑得人仰馬翻，你認為這一定是他們早已安排好的惡作劇……。

啤酒開瓶時，大量的二氧化碳泡沫湧出瓶口是偶爾會碰上的情形（而且是在未經搖晃的情況下）。這種現象的產生，是啤酒在釀造時，其主要的原料－麥，遭受到真菌感染所致，而這些貼附在大麥表面的真菌，其表面富有疏水蛋白。在釀造的過程中，這些疏水蛋白會吸附發酵時所產生的二氧化碳。當啤酒中含有過多的二氧化碳，開瓶時就會有大量的泡沫湧出。釀酒廠為了因應這種現象，會加入啤酒花萃取物（hops extract）作為抗泡沫因子（antifoaming agent），它們運作的原理是能較二氧化碳優先與真菌表面的疏水蛋白結合，被搶走位置的二氧化碳也就不會在啤酒中留下那麼多了。

以使用啤酒花萃取物為基礎，位於比利時的食品科學家近日更開發了除去泡沫的新技術－利用磁鐵。他們發現，在啤酒釀造時施加磁場，能將這些作為抗泡沫因子的啤酒花萃取物化分為更小的粒子，如此一來便能有效地提升與疏水蛋白的結合（分子更小、表面積增加的原理），也更能夠避免啤酒泡沫失控。

研究團隊將於下個月份的《食品工程期刊》（Journal of Food Engineering）中發表此研究結果。當這個方法真正運用在釀造啤酒時，其極佳的效率可令製酒商減少啤酒花萃取物的添加，而這對於降低成本相當具有潛力。研究團隊表示，在未來的研究中，希望能達到在工業生產的尺度下，單以施加磁場就能夠減少泡沫形成的結果。

所以說囉，當下次再遇到啤酒噴發的情形，切記：莫急、慌莫、莫害怕。保持鎮定，將溢出的啤酒清理乾淨後，你大可以從容地分享啤酒暴走的原理。如此一來不但展現了氣度，避免錯怪朋友，更能夠散發身為一個科學青年的無窮魅力。

參考資料：

• No more foamy beer, thanks to magnets
• Magnets could help make less foamy beer
• Zahra Shokribousjeina, David Riveros Galana, Chris Michielsa, Kurt Gebruersa, Hubert Verachterta, Johan Martensb, Christine Peetersc, Guy Derdelinckxa. 2015. Effect of a Magnetic Field on Dispersion of a Hop Extract and the Influence on Gushing of Beer. Journal of Food Engineering. 145: 10-18

今日某些物理學家正在研究將分子磁鐵（molecular magnets）當成未來量子電腦之資訊儲存單元使用的可能性。就分子結構來說，分子磁鐵是那些磁矩偏好朝特定軸向排列的分子。其所擁有的電子自旋結構可經由磁力調整出一種以上的狀態，且在低溫時，即使在缺乏磁場的情況下，依然可維持這種狀態，這可能使它們被用於資訊儲存上。

現在一個來自英國的研究團隊已證明，在不同的磁性狀態間，量子力學相位的疊加可持續超過 15 微秒，使其自旋態因解同調（decoherence，走調）而失去其資訊前，能反覆切換。在分子磁鐵作為 qubits（量子位元，量子電腦的元件）的實用性上，這項發現為其平添佐證。

來自牛津大學與曼徹斯特大學的研究者，C.J. Wedge 等人，已將他們「如何利用化學方法修改分子 qubits 以增加其相位記憶時間」的研究發表在最近一期的 Physical Review Letters 上。在這之前，研究者已達成 3.8 微秒的相位記憶時間（phase memory times），而其他分子磁鐵系統研究所產生的（記憶）時間都在 1 微秒的時間尺度上。

“相位記憶時間與同調時間是非常類似的概念，” 牛津大學的共同作者 Arzhang Ardavan 表示。”（長相位記憶時間）意味著，當量子資訊消失前，有可能操縱 qubit 許多次。那意義重大，但我們亦樂見能精確控制分子結構的可行性，以及能測定各種解同調機制，並盡我們所能來減少它們。”

在他們的研究中，研究者聚焦在 Cr7Ni 分子磁鐵上。他們之前證明這種分子所擁有的同調時間遠超過操縱單一 qubit 所需要的 10 奈秒。在此，他們採取下一步驟並研究分子磁鐵解同調（原子核自旋擴散 (nuclear spin diffusion) 與頻譜擴散 (spectral diffusion)）的特定來源，以及如何優化結構以便盡可能地延緩解同調。

為了辦到這件事，研究者改變二種關鍵要素（某些陽離子與配位基），藉此比較不同的 Cr7Ni 結構。他們特別研究，在低溫下不同的結構維持其自旋態的能力有多好，那以結構的相位–同調性鬆弛時間（phase-coherence relaxation time）來測定。研究者發現，優化修改過的 Cr7Ni 分子磁鐵能有超過 15 微秒的相位記憶時間，那比操縱單一 qubit 所需要的時間多了幾個數量級，而且明顯比先前的證明還要更長。

研究者預測，這些結果將導致在分子磁鐵簇內操控量子態的能力。他們計畫在未來更進一步研究操縱分子磁鐵的方法。

“我們將驗證各種可能性，” Ardavan 說。”我們研究這些分子之化學性質的同僚能夠合成合併數個耦合分子磁鐵的結構。我們將利用這類分子來研究簡單的多 qubit（multi-qubit）演算法。”

“最近，有人在理論上提出，電場能用來操縱分子磁鐵的磁性狀態，” 他補充道。”我們正透過實驗來驗證這些可能性。”

原始文獻:C. J. Wedge, G. A. Timco, E. T. Spielberg, R. E. George,
F. Tuna, S. Rigby, E. J. L. McInnes, R. E. P. Winpenny,
S. J. Blundell, and A. Ardavan.
Phys. Rev. Lett. 108, 107204 (2012) [5 pages]
doi: 10.1103/PhysRevLett.108.107204

資料來源:PHYSORG:Researchers engineer molecular magnets to act as long-lived qubits[March 21, 2012]

轉載自only-perception