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2016諾貝爾物理獎:用拓撲概念打開量子力學新視野

余海峯 David
・2016/10/07 ・3202字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 581 ・九年級

文/余海峯|天體物理學家、科學普及工作者。興趣是讀和寫科普、足球、攀石、吉他,一個人散步。在等一個人回來,那個無可取代的她。

 

一年一度頒發的諾貝爾物理奬是物理學界的最高殊榮,自 1901 年起頒發給對人類文明有傑出貢獻的物理學發現。前沿的科學理論很少會迅速被實驗驗證,更遑論其實用性,因此涉及抽象數學的高度理論性研究,往往在十幾,甚至幾十年後才能獲得諾貝爾奬的肯定。

今(2016)年的諾貝爾物理奬得奬研究就是一例。三位來自英國的理論物理學家杜列斯(David J. Thouless)、哈爾丹(F. Duncan M. Haldane)和科斯特利茲(J. Michael Kosterlitz),在三十多年前,利用高度抽象的拓撲學(Topology)數學概念打開了量子力學的一個全新研究方向

2016 諾貝爾物理學獎得主: 美國華盛頓大學名譽教授杜列斯(David J. Thouless),獲 1/2 獎金 美國布朗大學物理系教授科斯特利茲(J. Michael Kosterlitz),獲 1/4 獎金 美國普林斯頓大學物理系教授哈爾丹(F. Duncan M. Haldane),獲 1/4 獎金
2016 諾貝爾物理學獎得主:
美國華盛頓大學名譽教授杜列斯(David J. Thouless),獲 1/2 獎金
美國布朗大學物理系教授科斯特利茲(J. Michael Kosterlitz),獲 1/4 獎金
美國普林斯頓大學物理系教授哈爾丹(F. Duncan M. Haldane),獲 1/4 獎金

物質不只有三態

物質的不同狀態會隨溫度和壓力互相轉換。圖/Nobel Prize Physics 2016
物質的不同狀態會隨溫度和壓力互相轉換。圖/Nobel Prize Physics 2016

在討論得奬研究之前,我們首先來重溫一下物態吧!相信大家都知道物質有三態:氣態、液態和固態。其實大自然並不只存在這三態。例如我們常見的火焰其實並非氣態,而是離子態。離子態通常存在於溫度高的條件下,因為原子擁有的能量足以令電子脫離原子核的束縛,亦即電離。例如我們每天都見到的太陽,其表面發光層就是處於離子態。

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如果溫度非常低呢?物質就會變成凝聚態。其實液態和固態都是凝聚態,這兩態能夠於室溫存在。而當溫度繼續下降,原子的能量越來越低,原子相互之間的距離就會越來越近,直至達到一個溫度與壓力的臨界點。在這臨界點之上,物質受古典統計力學支配;過了臨界點之後,量子力學變得重要,因此物質的物理和化學特性都會改變,科學家稱這種變化為相變(Phase Transition)。我們熟悉的氣態、液態和固態的互相變換,也是相變。

 

凝聚態物理學

我們可能會以為,既然我們已經對支配基本粒子運動的物理有一定了解,量子力學也已成為科學史上最精確的科學,那麼由一堆粒子聚集而成的物質的凝聚態物理學,也能夠被推導出來吧?

當粒子少於一定數量時,其互動方式的確可以被簡化成已知的基本物理定律。不過,當粒子多於一定數量時,其特性就會突然轉變。例如在低溫凝聚態下,物質的磁性可以改變,原本不帶磁性的物質會變成帶有磁性;沒有電阻的超導體和不會感受到摩擦力的超流體也能形成。因此,雖然人類已掌握量子力學、統計力學等工具,凝聚態物理仍未被科學家完全了解。

在 1970 年代,凝聚態物理學家普遍認為相變只會發生在三維物質裡,二維或一維的物質特性是比較簡單的。當然,這裡指的二維或一維並非真的說物質沒有厚度或寬度,只是當粒子層非常薄時,對比其面積來說就如同沒有厚度一樣,因此推論三維的凝聚態物理,理所當然比較豐富。

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好奇心與意外發現的拓撲學

科學史往往充滿驚奇,這亦是科學引人入勝的原因。在一個國際研討會上,杜列斯和科斯特利茲傾談之間,討論到二維凝聚態物理有沒有可能發生相變的問題。事後他們聲稱,他們展開這個題目的研究原因是好奇心和無知。他們使用拓撲學的數學概念去研究二維的物質世界,最後發現拓撲學這個抽象的數學分支,竟然能夠為凝聚態物理學帶來全新的研究方向。

拓撲學是研究整數形狀改變的數學。誰想過拓撲概念能被應用於量子霍爾效應?圖/Nobel Prize Physics 2016
拓撲學是研究整數形狀改變的數學。誰想過拓撲概念能被應用於量子霍爾效應?圖/Nobel Prize Physics 2016

在拓撲學的概念中,馬克杯跟甜甜圈是一樣的:兩者都只有一個洞;沒有鏡片的眼鏡就跟數字8一樣,因為它們都有兩個洞;因此馬克杯和眼鏡是不同的拓撲物件。若由只有一個洞的馬克杯變成有兩個洞的眼鏡,就叫做拓撲相變(Topological Phase Transition),而我們可以從以上的舉例中得知拓撲相變只能是整數改變,不會有增加半個洞的狀況出現。

諾貝爾物理獎評選委員托爾斯.漢森(Thors Hans Hansson)用麵包來解釋拓撲學。圖/諾貝爾獎記者會影片截圖
諾貝爾物理獎評選委員托爾斯.漢森(Thors Hans Hansson)用麵包來解釋拓撲學。圖/諾貝爾獎記者會影片截圖

杜列斯和科斯特利茲發現,在低溫條件下,二維物質裡會出現漩渦,而且必定是成對出現且旋轉方向相反,而當溫度升高,成對的漩渦就會分離變成各自獨立的漩渦。這些量子漩渦帶有量子化角動量,通常出現在超導體和超流體之中。當時沒人能解釋為什麼會出現這些量子漩渦。杜列斯和科斯特利茲使用拓撲學中的拓撲缺憾(Topological Defect)去描述,簡單說就是描述這個二維物質公式的非顯然解(non-trivial solution,又有其他翻譯如非平凡解)。

由於觀察到這個現象,讓他們發現抽象的拓撲相變概念,原來可以用來描述二維物質的漩渦!這個發現成為了凝聚態物理學中最重要的發現,現在稱為「科斯特利茲–杜列斯 相變(Kosterlitz-Thouless transition)」或 Berezinskii-Kosterlitz-Thouless transition」,簡稱「KT 相變」或「BKT 相變」。後來,科學家更發現 KT 相變並不單止存在於聚態物理學之中,在其他物理學分支裡亦找得到它的蹤跡。

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KT相變圖解與漩渦。圖/Nobel Prize Physics 2016
KT 相變圖解與漩渦。圖/Nobel Prize Physics 2016

抽象的現實

許多年來,杜列斯和科斯特利茲的研究已被許多實驗驗證了。然而在 1980 年代,杜列斯發現他與科斯特利茲的理論並不能夠解釋所有在凝聚態物理實驗觀察到的現象。

相信部分學過物理學的讀者會知道,在電磁學裡有一個現象叫做霍爾效應(Hall Effect)——當一個固體的導電體或半導體被置於磁場之中,電流裡的電子就會被電磁力推往一邊,造成一個電壓。而藉由測量這個電壓,就可以測量磁場強度或半導體的種類。

霍爾效應示意圖。圖/By Peo (modification by Church of emacs) - Own work, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=3773578
霍爾效應示意圖。圖/By Peo (modification by Church of emacs) – Own work, CC BY-SA 3.0, wikimedia commons.

在量子力學裡,有一個量子版本的霍爾效應(想當然就叫做量子霍爾效應,Quantum Hall Effect)。與一般霍爾效應不同的是,量子霍爾效應裡的量子導電率必定是呈兩倍、三倍、四倍,如此類推地改變的。而且,這個量子化的現象並不會隨電子密度改變。杜列斯發現這個現象原來可以用拓撲相變去解釋,每一個倍數的量子導電率就跟二維物質的拓撲漩渦狀態一樣,可以被描述為不同的拓撲相。使用拓撲相變甚至能夠解釋更加複雜的分數量子霍爾效應(Fractional Quantum Hall Effect)。

而在差不多同一時期,哈爾丹亦注意到在一維物質鏈之中的原子的磁自旋改變時,如果其改變是雙數的話,就能夠以拓撲相變去解釋;如果其改變是單數則不能。最終,哈爾丹發現即使沒有磁場,量子霍爾效應裡的導電率仍然只會以整數倍改變。他的理論最終在 2014 年的凝聚態物理實驗中被實際觀察到,被稱為「拓撲量子液」。

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杜列斯、科斯特利茲和哈爾丹的研究使物理學家能夠以全新的角度去看待凝聚態物理學,而且陸續發現了很多未知的物理現象。例如在實際應用層面上,凝聚態物理學家製造出拓撲絕緣體,並且於 2014 年成功用拓撲絕緣體造出類似於電腦記憶體的磁性元件。在將來,這些新的拓撲相態物質更有可能用來製造量子電腦。

就是如此,拓撲學這一門本是度抽象的數學分支,竟然被科學家發現真實存在於物理世界。在低維度的世界裡,竟然也有著不遜於三維世界的豐富的物理現象。2016 年的諾貝爾物理奬,表彰了杜列斯、科斯特利茲和哈爾丹如何把抽象變成真實。如同哈爾丹受訪時說:

「令人意想不到的是,量子力學比我們想象中的更加豐富。」

大自然對人類好奇心的回應,就是在觀察之中意想不到的新發現。

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余海峯 David
18 篇文章 ・ 22 位粉絲
天體物理學家。工作包括科研、教學和科學普及。德國馬克斯・普朗克地外物理研究所博士畢業。現任香港大學理學院助理講師。現為《立場科哲》科學顧問、《物理雙月刊》副總編輯及專欄作者、《泛科學》專欄作者。合著有《星海璇璣》。

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ECU: 汽車大腦的演化與挑戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/02 ・3793字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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本文與 威力暘電子 合作,泛科學企劃執行。

想像一下,當你每天啟動汽車時,啟動的不再只是一台車,而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機,後果會有多嚴重?方向盤可能瞬間失靈,安全氣囊無法啟動,整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情,而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天,我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟,汽車的「大腦」—電子控制單元(ECU),是如何從單一功能,暴增至上百個獨立系統?而全球頂尖的工程師們,又為何正傾盡全力,試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化?

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代,當時的汽車工程師們面臨一項重要任務:如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力?「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現,關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間:火星塞的點火時機,也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內,這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一!引擎效率就能提升整整一成!這不僅意味著車子開起來更順暢,還能直接省下一成的油耗。那麼,要如何跨過這道門檻?答案就是:「電腦」的加入!

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工程師們引入了「微控制器」(Microcontroller),你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法,在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內,精準計算出最佳的點火角度,並立刻執行。

從此,引擎的性能表現大躍進,油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元(ECU)的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)。

汽車電子控制單元的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)/ 圖片來源:shutterstock

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功,在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像:「這 ECU 這麼好用,其他地方是不是也能用?」於是,ECU 的應用範圍不再僅限於點火,燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車,甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而,問題來了:這麼多「小電腦」,它們之間該如何有效溝通?

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為了解決這個問題,1986 年,德國的博世(Bosch)公司推出了一項劃時代的發明:控制器區域網路(CAN Bus)。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上,就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是,CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如,煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息,絕對能搶先通過,避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題,但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線,並連接各種感測器和致動器。結果就是,一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里,總重量更高達 50 到 60 公斤,等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面,大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束,簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障,無疑讓人一個頭兩個大。

大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。/圖片來源:shutterstock

汽車電子革命:從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代,汽車電子架構迎來一場大改革,「分區架構(Zonal Architecture)」搭配「中央高效能運算(HPC)」逐漸成為主流。簡單來說,這就像在車內建立「地方政府+中央政府」的管理系統。

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可以想像,整輛車被劃分為幾個大型區域,像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙,就像數個「大都會」。每個區域控制單元(ZCU)就像「市政府」,負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合,並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理,就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台(HPC)擔任,統籌負責更複雜的運算任務,例如先進駕駛輔助系統(ADAS)所需的環境感知、物體辨識,或是車載娛樂系統、導航功能,甚至是未來自動駕駛的決策,通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中, 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子,便精準地切入了這個趨勢,致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢,威力暘提供的解決方案,就像是將好幾個「分區管理員」的職責,甚至一部分「超級大腦」的功能,都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力,可同時支援 ADAS 與車載娛樂,還能兼容多種通訊協定,大幅簡化車內網路架構。如此一來,車廠在追求輕量化和高效率的同時,也能顧及穩定性與安全性。

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2008 年威力暘電子致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台 /圖片來源:shutterstock

萬無一失的「汽車大腦」:威力暘的四大策略

然而,「做出來」與「做好」之間,還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯?具體來說,威力暘電子憑藉以下四大策略,築起其產品的可靠性與安全性:

  1. AUTOSAR : 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層(RTE)和基礎軟體層(BSW)。就像在玩「樂高積木」,ECU 開發者能靈活組合模組,專注在核心功能開發,從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
  2. V-Model 開發流程:這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般,左側從上而下逐步執行,右側則由下而上層層檢驗,確保每個階段的安全要求都確實落實。
  3. 基於模型的設計 MBD(Model-Based Design) 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具,把整個 ECU 要控制的系統(如煞車),用數學模型搭建起來,然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前,就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷,,並驗證安全機制是否有效。
  4. Automotive SPICE (ASPICE) : ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」,它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性,而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」,也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化,並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作,其能否正常運作,自然被視為最優先項目。為此,威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準:ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統(特別是 ECU)的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」,從概念、設計、測試到生產和報廢,都詳細規範了每個安全要求和驗證方法,唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略,威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準,才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而,ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡,「大腦」變得更集中、更強大後,汽車產業又迎來了新一波革命:「軟體定義汽車」(Software-Defined Vehicle, SDV)。

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軟體定義汽車 SDV:你的愛車也能「升級」!

未來的汽車,會越來越像你手中的智慧型手機。過去,車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」,想升級?多半只能換車。但在軟體定義汽車(SDV)時代,汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」,能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA(Over-the-Air)技術,車廠能像推送 App 更新一樣,遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過,這種美好願景也將帶來全新的挑戰:資安風險。當汽車連上網路,就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭,輕則個資外洩,重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV,業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略,確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程,到安全認證,這些努力,讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新,也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力,威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota,以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈,更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴,以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈,並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產,驗證其流程與品質。

毫無疑問,未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷,交由電腦判斷,比交由人類駕駛還要安全的那一天,離我們不遠了。而人類的角色,將從操作者轉為監督者,負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全,人類甘願當一個「最弱兵器」,其實也不錯!

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從太陽發光到生命突變,一切都歸功於量子穿隧效應?
PanSci_96
・2024/10/19 ・1962字 ・閱讀時間約 4 分鐘

在這個充滿光與生命的宇宙中,我們的存在其實與一種看不見的力量密切相關,那就是量子力學。沒有量子力學,太陽將不會發光,地球上的生命將無法誕生,甚至整個宇宙的運行規則都會截然不同。這些微觀層次的奧秘深深影響了我們日常生活的方方面面。

其中,量子穿隧效應是一個看似違背直覺但至關重要的現象,從太陽的核融合反應到基因的突變,這種效應無處不在,甚至還牽動著當今的高科技產業。

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什麼是量子穿隧效應?

我們可以將量子穿隧效應比作一個奇妙的穿牆術。想像一下,你身處一個被高牆包圍的城市,牆外是未知的世界。通常,如果你要越過這道牆,需要極大的力量來翻越它,或者用工具打破它。然而,在量子的世界裡,情況並不如此。

在微觀的量子力學世界中,粒子同時具有波的特性,這意味著它們並不完全受限於傳統物理的規則。當一個微觀粒子遇到能量障礙時,即使它沒有足夠的能量直接穿過障礙,卻仍有一定機率能出現在障礙的另一邊,這就是「量子穿隧效應」。粒子彷彿直接在牆上挖了一條隧道,然後穿越過去。

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這聽起來像魔法,但它背後有深刻的物理學道理。這個現象的發生取決於量子粒子的波動性質以及能量障礙的高度和寬度。如果障礙較矮且較窄,粒子穿隧的機率就較高;反之,障礙越高或越寬,穿隧的機率則會降低。

太陽發光:核融合與量子穿隧效應的結合

量子穿隧效應的存在,讓我們能夠理解恆星如何持續發光。以太陽為例,太陽內部的高溫環境為核融合反應提供了所需的能量。在這個過程中,氫原子核(質子)需要克服極大的電磁排斥力,才能彼此靠近,進而融合成為氦原子核。

然而,單靠溫度提供的能量並不足以讓所有質子進行核融合。根據科學家的計算,只有約10的 434 次方個質子中,才有一對具備足夠的能量進行核融合。這是一個極小的機率。如果沒有量子穿隧效應,這種反應幾乎不可能發生。

幸好,量子穿隧效應在這裡發揮了關鍵作用。由於量子粒子具有波動性,即便質子沒有足夠的能量直接跨越能量障礙,它們仍然能透過穿隧效應,以一定機率克服電磁排斥力,完成核融合反應。這就是為什麼太陽內部的核融合能夠源源不斷地發生,並且持續產生光與熱,讓地球成為適合生命生存的家園。

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量子穿隧效應與生命的演化

除了恆星的發光之外,量子穿隧效應還對生命的誕生和演化起到了關鍵作用。地球上物種的多樣性,很大一部分源於基因突變,而量子穿隧效應則幫助了這一過程。

DNA 分子是攜帶遺傳訊息的載體,但它的結構並不穩定,容易在外界因素影響下發生變異。然而,即使沒有外界因素的干擾,科學家發現 DNA 仍會自發性地發生「點突變」,這是一種單一核苷酸替換另一種核苷酸的突變形式。

量子穿隧效應讓氫原子隨時可能在 DNA 結構中進行位置轉換,從而導致鹼基對的錯位,這在 DNA 複製過程中,可能會引發突變。這些突變若保留下來,就會傳遞給下一代,最終豐富了基因與物種的多樣性。

量子穿隧幫助促進 DNA 突變,協助生命的演化與物種多樣性。圖/envato

半導體技術中的量子穿隧效應

除了在宇宙和生命中發揮作用,量子穿隧效應還影響著我們的日常生活,尤其在現代科技中。隨著半導體技術的發展,電子設備的體積不斷縮小,這也讓電子元件的性能面臨更大的挑戰。

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在微小的電子元件中,量子穿隧效應會導致電子穿過元件中的障礙,產生不必要的漏電流。這種現象對電晶體的性能帶來了負面影響,因此設計師們需要找到方法來減少穿隧效應的發生,以確保元件的穩定性。

雖然這是我們不希望見到的量子效應,但它再次證明了量子力學在我們生活中的深遠影響。設計更有效的半導體元件,必須考慮到量子穿隧效應,這讓科學家與工程師們需要不斷創新。

量子力學是我們宇宙的隱藏力量

量子穿隧效應看似深奧難懂,但它對宇宙的運作和生命的誕生至關重要。從太陽的核融合反應到基因突變,甚至現代科技中的半導體設計,量子力學影響著我們生活的方方面面。

在這個充滿未知的微觀世界裡,量子現象帶來的影響是我們難以想像的。正是這些看似不可思議的現象,塑造了我們的宇宙,讓生命得以誕生,科技得以發展。當我們仰望星空時,別忘了,那閃耀的光芒,背後藏著的是量子力學的奇妙力量。

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PanSci_96
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量子革命來襲!一分鐘搞定傳統電腦要花數千萬年的難題!你的電腦是否即將被淘汰?
PanSci_96
・2024/10/17 ・2050字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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量子電腦:解碼顛覆未來科技的關鍵

2023 年,Google 發表了一項引人注目的研究成果,顯示人類現有最強大的超級電腦 Frontier 需要花費 47 年才能完成的計算任務,Google 所研發的量子電腦 Sycamore 只需幾秒鐘便能完成。這項消息震驚了科技界,也再次引發了量子電腦的討論。

那麼,量子電腦為什麼如此強大?它能否徹底改變我們對計算技術的認知?

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量子電腦是什麼?

量子電腦是一種基於量子力學運作的新型計算機,它與我們熟悉的傳統電腦截然不同。傳統電腦的運算是建立在「位元」(bits)的基礎上,每個位元可以是 0 或 1,這種二進位制運作方式使得計算過程變得線性且單向。然而,量子電腦使用的是「量子位元」(qubits),其運算邏輯則是基於量子力學中的「疊加」與「糾纏」等現象,這使得量子位元能同時處於 0 和 1 的疊加狀態。

這意味著,量子電腦能夠在同一時間進行多個計算,從而大幅提高運算效率。對於某些非常複雜的問題,例如氣候模型、金融分析,甚至質因數分解,傳統電腦可能需要數千年才能完成的運算任務,量子電腦只需數分鐘甚至更短時間便可完成。

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Google、IBM 和量子競賽

Google 和 IBM 是目前在量子計算領域中競爭最為激烈的兩大科技公司。Google 的 Sycamore 量子電腦已經展示出極高的計算速度,令傳統超級電腦相形見絀。IBM 則持續投入量子電腦的研究,並推出了超過 1000 個量子位元的系統,預計到 2025 年,IBM 的量子電腦將擁有超過 4000 個量子位元。

除此之外,世界各國和企業都爭相投入這場「量子霸權」的競賽,台灣的量子國家隊也不例外,積極尋求量子計算方面的突破。這場量子競賽,將決定未來的計算技術格局。

量子電腦的核心原理

量子電腦之所以能如此快速,是因為它利用了量子力學中的「疊加態」和「糾纏態」。簡單來說,傳統電腦的位元只能是 0 或 1 兩種狀態,而量子位元則可以同時處於 0 和 1 兩種狀態的疊加,這使得量子電腦可以在同一時間內同時進行多次計算。

舉例來說,如果一台電腦需要處理一個要花 330 年才能解決的問題,量子電腦只需 10 分鐘便可解決。如果問題變得更複雜,傳統電腦需要 3300 年才能解決,量子電腦只需再多花一分鐘便能完成。

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此外,量子電腦中使用的量子閘(quantum gates)類似於傳統電腦中的邏輯閘,但它能進行更複雜的運算。量子閘可以改變量子位元的量子態,進而完成計算過程。例如,Hadamard 閘能將量子位元轉變為疊加態,使其進行平行計算。

量子電腦能大幅縮短複雜問題的計算時間,利用量子閘進行平行運算。圖/envato

計算的效率

除了硬體技術的進步,量子電腦的強大運算能力也依賴於量子演算法。當前,最著名的兩種量子演算法分別是 Grover 演算法與 Shor 演算法。

Grover 演算法主要用於搜尋無序資料庫,它能將運算時間從傳統電腦的 N 遞減至 √N,這使得資料搜索的效率大幅提升。舉例來說,傳統電腦需要花費一小時才能完成的搜索,量子電腦只需幾分鐘甚至更短時間便能找到目標資料。

Shor 演算法則專注於質因數分解。這對於現代加密技術至關重要,因為目前網路上使用的 RSA 加密技術正是基於質因數分解的困難性。傳統電腦需要數千萬年才能破解的加密,量子電腦只需幾秒鐘便可破解。這也引發了全球對後量子密碼學(PQC)的研究,因為一旦量子電腦大規模應用,現有的加密系統將面臨極大的威脅。

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量子電腦的挑戰:退相干與材料限制

儘管量子電腦具有顛覆性的運算能力,但其技術發展仍面臨諸多挑戰。量子位元必須保持在「疊加態」才能進行運算,但量子態非常脆弱,容易因環境中的微小干擾而坍縮成 0 或 1,這種現象被稱為「量子退相干」。量子退相干導致量子計算無法穩定進行,因此,如何保持量子位元穩定是量子電腦發展的一大難題。

目前,科學家們正在探索多種材料和技術來解決這一問題,例如超導體和半導體技術,並嘗試研發更穩定且易於量產的量子電腦硬體。然而,要實現大規模的量子計算應用,仍需克服諸多技術瓶頸。

量子電腦對未來生活的影響

量子電腦的快速發展將為未來帶來深遠的影響。它不僅將推動科學研究的進步,例如藥物設計、材料科學和天文物理等領域,還可能徹底改變我們的日常生活。例如,交通運輸、物流優化、金融風險管理,甚至氣候變遷預測,都有望因量子計算的應用而變得更加精確和高效。

然而,量子計算的發展也帶來了一些潛在的風險。隨著量子電腦逐漸成熟,現有的加密技術可能會被徹底摧毀,全球的資訊安全體系將面臨巨大挑戰。因此,各國政府和企業已經開始研究新的加密方法,以應對量子時代的來臨。

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