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以玻璃纖維計算原子數量

only-perception
・2012/01/14 ・1163字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 544 ・八年級

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玻璃纖維(Glass fiber,即光纖)纜線對網際網路來說不可或缺 — 現在它們也能被當成量子物理實驗室使用。(奧地利)維也納科技大學是世上唯一的研究單位,在這裡,單個原子能在控制之下與超細纖維玻璃中的光耦合。特別準備好的光波僅與非常少量的原子進行交互作用,這使我們有可能打造出對微量物質超級敏感的偵測器。

Arno Rauschenbeutel 教授的團隊,Vienna 量子科學與技術中心的六個研究小組之一,已在 Physical Review Letters 期刊中發表這種新方法。這項研究計畫在與德國 Mainz, Johannes Gutenberg 大學的合作下完成。

超細玻璃纖維

實驗中所用的玻璃纖維只有 500 nm 寬。事實上,它們甚至比可見光的波長還要更細。”在實際狀況下,光波並沒有真的塞入這種玻璃纖維中,它會突出來一點,” Arno Rauschenbeutel 解釋。而這正是這種新方法的最大優勢:光波會與位於玻璃纖維外部的原子接觸(原子離玻璃纖維非常近,但並未接觸)。 “首先,我們陷住(trap)原子,故它們被排列在玻璃纖維的上方或下方,如同細線上的珍珠般,” Rauschenbeutel 表示。透過玻璃纖維傳送的光波接著被它所通過的每一個原子修改。藉由非常精確地測量光波中的變化,就能測定被陷在纖維附近的原子數量。

原子改變光的速度

當科學家研究原子與光的交互作用時,他們通常會看見有點混亂的效應 — 至少是在微觀尺度下:例如,原子能吸收光子,之後朝不同方向將它們發射出去。因是之故,原子可能被加速,並從它們原本的位置被拋開。然而,在 Vienna UT 的玻璃纖維實驗中,光與原子間非常溫和的交互作用業已足夠:”靠近玻璃纖維的原子使光速稍稍減了一點點,” Arno Rauschenbeute 解釋。當光波非常精確地在原子的方向上,向上與向下振盪時,光波會稍微偏移了一點。另一道在不同方向上振盪的光束並沒有撞擊到任何原子,因此也很難全面減速。不同偏振方向的光波,透過玻璃纖維來傳送 — 由於其速度不一,故能測得它們的相對偏移。這偏移告訴科學家有多少個原子使光波延遲了。

偵測單個原子

成千上百的原子會被陷住,離玻璃纖維不到千分之一公釐。它們能被測定的數量,可達數個原子的準確度。”原則上,我們的方法如此精確,故它能偵測到十個或二十個這麼少的原子,” Arno Rauschenbeutel 表示。”我們正研究幾種技術性技巧 — 例如減少原子與玻璃纖維間的距離。如果我們能辦到這件事,我們甚至能夠進行單個原子的偵測。”

非破壞性量子測量

這種新的玻璃纖維測量法不僅對新偵測器很重要,對基礎量子物理的研究也一樣重要。”通常,當我們測量某種系統時,其量子物理態就會被破壞,” Rauschenbeutel 解釋。”我們的玻璃纖維使得「控制量子態而不會摧毀它們」成為可能。” 這些靠近玻璃纖維的原子也能用來調整光波在其內振盪的平板。說不定,新的技術可能性也許因此被開發。”今日,量子光學是一種令人難以置信的創新研究領域,而 Vienna 研究小組在這方面可說是世上數一數二,” Arno Rauschenbeutel 表示。

資料來源:PHYSORG:Counting atoms with glass fiber[December 7, 2011]

轉載自only-perception

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only-perception
153 篇文章 ・ 1 位粉絲
妳/你好,我是來自火星的火星人,畢業於火星人理工大學(不是地球上的 MIT,請勿混淆 :p),名字裡有條魚,雖然跟魚一點關係也沒有,不過沒有關係,反正妳/你只要知道我不是地球人就行了... :D

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巴黎時裝週:噴霧製衣,一體成形
胡中行_96
・2022/10/03 ・2083字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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2022 年 9 月 30 日,[1]在巴黎時裝週 2023 春夏大秀上,近乎全裸的超模 Bella Hadid 緩步走上伸展台。她氣定神閒地,任由與法國時尚品牌 Coperni 合作的科學家們,用噴槍將液態布料覆蓋在她身上。[2, 3]經剪刀裁去布邊,並劃出高衩,一件服貼簡約的雪白平口洋裝,當場完成,驚豔全場。[4]

巴黎時裝週 2023 春夏大秀上,噴霧製衣的現場表演。影/參考資料 4

時裝秀的科技時刻

英國品牌 Alexander McQueen 也曾於 1999 春夏系列時裝秀中,讓超模 Shalom Harlow 在緊湊高亢的音樂襯托下,接受二支機械手臂的顏料洗禮,演繹出時尚史上經典的噴墨洋裝。[5]不過,這兩次乍看雷同的科技嘗試,其實有根本上的差異:Alexander McQueen 的做法,是把洋裝當作畫布,透過機械手臂在上頭忘情揮灑。放蕩不羈的風格,使模特兒的皮膚上沾染不少墨水,帶著一縷淒美的頹喪。[5]然而,這次巴黎時裝週的白色洋裝製作,則是宛如迪士尼動畫《睡美人》的情節。噴槍就是設計師的魔杖,妙手一揮便幻化出成品,整個過程乾淨俐落。做完馬上走秀,都不怕沿路滴水。[4]

這款神奇的噴霧布料,是 Manel Torres 博士研發的 Fabrican。[3]

Alexander McQueen 1999 春夏系列服裝秀中,Shalom Harlow 與機械手臂演繹經典的噴墨洋裝。影/參考資料 5

Fabrican 噴霧的原理

來自西班牙的 Torres 博士,[6] 2003 年於英國倫敦創立 Fabrican 有限公司。他希望用皮膚般貼身的媒材,來製作衣服,並加速生產的流程。[7]一件 Fabrican 服飾的生成,從無到有約莫只要 9 到 15 分鐘,[1, 6]而且材質和顏色都有多元的選擇。[8, 9]無論是棉、毛、亞麻、尼龍或是奈米碳纖維等原料,[6, 9]加入特製的揮發性溶劑後,噴在人體上便會快乾成形。 [6]這種液態布料能做出一年四季的服飾,差別主要在於塗層的厚度。成品噴好後,不僅可以重複穿著和洗滌,也能以溶劑即刻還原再利用,[10]十分環保。

Torres 博士示範用 Fabrican 噴出T恤,女模表示會冷。影/參考資料 10

Fabrican 服飾的量產

Copern i 的二位品牌創辦人 Sébastien Meyer 與 Arnaud Vaillant ,在這次的巴黎時裝週開始前 6 個月,就已經緊鑼密鼓地和 Torres 博士,一起研究如何呈現這件白色洋裝。「我們不會因此賺錢」,回想秀場上的那一刻 Meyer 如是說:「但那是段美麗的時光 ── 一個創造情感的體驗。」[3]

以人工一件一件地噴出衣服,並不符合經濟效益,所以除了上述量身訂做的方法,Torres 教授還開發出適合工業化量產的模式。這個概念有點類似 Alexander McQueen 1999 春夏系列服裝秀的演出,不過要把那位面目驚恐,非常入戲的模特兒,換成冰冷的人體模型。如此一來,裝有噴槍的機械手臂以及負責運算的可程式邏輯控制器(programmable logic controller,簡稱PLC),便能以每秒 9 公尺的速度噴出原料,不眠不休無休地將已經設計好的服飾,精準地製作出來。由於針對不同產品,只要依照個別需求,微調程式或液態布料的成份,Fabrican 官網宣稱,這比起仰賴為數龐大的傳統機器,更適合剛起步的事業和開發程度較低的國家。[11]

Fabrican 的其他用途

此外,同樣的技術也能運用在汽車內裝,[11]以及醫療器材上。比方說,口罩、繃帶、藥物貼片、創傷敷料,[12]還有取代石膏的骨折固定器等。[13]比較出乎意料的是,據說 Fabrican 也有清除海洋汙染,例如:原油外洩等的功能,可惜相關的資訊不多。[14]看到如此萬用的布料科技,只能期望它無論如何都要打入一般市場,造福大眾。別像伸展台上的高級服飾,永遠那麼遙不可及。

Fabrican 可望取代醫療石膏。影/參考資料 13

延伸閱讀

蠶繭電池是綠能的未來?!

參考資料

  1. Testa J. (02 OCT 2022) ‘The Best Moment of Bella Hadid’s Life’. The New York Times.
  2. Yang R, Chen L, Chiang R, Tseng R.(01 OCT 2022)〈巴黎時裝周2023春夏秀場盤點!Coperni現場噴墨製衣、Balmain邀請傳奇巨星Cher壓軸走秀〉Harpers Bazaar.
  3. Maguire L. (01 OCT 2022) ‘A spray-on dress and a solid gold bag: Coperni goes after Gen Z with novelty and fun’. Vogue Business.
  4. iDest. (01 OCT 2022) ‘Bella Hadid Closing Coperni Spring 2023 Collection’. YouTube.
  5. Couture Daily. (13 JAN 2013) ‘Alexander McQueen spring/summer 1999’. YouTube.
  6. Sample I. (17 SEP 2010) ‘Spray-on clothing becomes a reality’. The Guardian.
  7. Fabrican History’. Fabrican Spray-on fabric. (Accessed on 02 OCT 2022)
  8. FannVideo Best. ‘New Spray-on Clothing Future Technology’. (28 MAY 2013) YouTube.
  9. Fabrican Technology’. Fabrican Spray-on fabric. (Accessed on 02 OCT 2022.)
  10. New Scientist. ‘Spray-on clothing could be the future of fashion’. (17 SEP 2010) YouTube.
  11. Industrial – Industrial Application’. Fabrican Spray-on fabric. (Accessed on 02 OCT 2022.)
  12. Healthcare – Innovation, choice and flexibility in healthcare’. Fabrican Spray-on fabric. (Accessed on 02 OCT 2022.)
  13. fabricanltd. (15 MAY 2012) ‘Spray-on arm cast. Fabrican Ltd’. YouTube.
  14. Environmental – Protecting our environment from seaborne spills’. Fabrican Spray-on fabric. (Accessed on 02 OCT 2022.)
胡中行_96
67 篇文章 ・ 24 位粉絲
曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。邀稿請洽臉書「荒誕遊牧」,謝謝。

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用黑白相機拍出色彩繽紛的宇宙
全國大學天文社聯盟
・2022/04/30 ・2550字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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  • 文/邵思齊,現就讀臺大地質科學系,著迷於大自然的鬼斧神工。

現代的人們生活在充滿明亮人造光源的城鎮中,難以想像純粹的夜空是什麼樣子。對宇宙中天體的印象,多半來自各地天文台與太空望遠鏡所捕捉的絢麗星雲、星團、星系。但這些影像中的顏色是真實的嗎?如果我們能夠用肉眼看到這些天體,它們的顏色真能如影像中如此的五彩繽紛嗎?

色彩的起源:為什麼人眼能看到顏色?

電磁波跨越各種尺度的波段,有波長遠小於 1 奈米的伽瑪射線,也有波長數百公里長的無線電波。但人類眼睛中的的感光細胞僅能感測到波長介於 400-700 奈米之間的電磁波,也就是僅有這段電磁波能夠以紅到紫的色彩出現在人類的視野當中,所以我們對外界的認知就受限於這小一段稱為可見光(Visible Light)的視窗。人之所以能夠辨識不同的顏色,靠的是人眼中的視錐細胞。視錐細胞分成 S、M、L 三種,分別代表 short, medium, long,其感測到的不同波長的光,大致可對應到藍色、綠色、紅色。

S、M、L 三種視錐細胞可以感測不同的顏色,後來的相機設計也以此為基礎。圖/Wikipedia

肉眼可以,那相機呢?

在還沒有電子感光元件的時代,紀錄影像的方法是透過讓底片中的銀離子曝光、沖洗後,變成不透光的金屬銀(負片),但這樣只能呈現出黑白影像。於是,歷經長時間的研究與測試,有著三層感光層的彩色底片誕生了。它的原理是在不同感光層之間加上遮色片,讓三層感光片能夠分別接收到各自顏色的光線。最常使用的遮色片是藍、綠、紅三色。進入數位時代,電子感光元件同樣遇到了只有明暗黑白、無法分辨色彩的問題,但這次,因為感光元件無法透光,不能像底片一樣分層感光,工程師們只好另闢蹊徑。

於是專為相機感光元件量身打造的拜爾濾色鏡(Bayer Filter)誕生了,也就是由紅色、綠色、藍色三種方形濾光片相間排列成的馬賽克狀濾鏡,每一格只會讓一種顏色通過,如此一來,底下的感光元件就只會接收到一種顏色的光。接著,再把相鄰的像素數值相互內插計算,就可以得到一張彩色影像。由於人的視錐細胞對綠色特別敏感,因此拜爾濾色鏡的設計中,綠色濾光片的數量是其他顏色的兩倍。

這種讓各個像素接收不同顏色資訊的做法,雖然方便快速,卻需要好幾個像素才能還原一個區塊的顏色,因此會大幅降低影像解析度。這對寸解析度寸金的天文研究來說,非常划不來,畢竟我們既想得知每個像素接收到的原始顏色,又想獲得以像素為解析單位的最佳畫質,盡可能不要損失任何資訊。

藍綠紅相間的拜爾綠色鏡,廣泛用於日常使用的彩色感光元件,例如手機鏡頭、單眼相機等裝置。圖/Wikipedia

要怎麼讓每個像素都能獨立呈現接收到的光子,而且還能夠完整得到顏色的資訊呢?最好的方法就是在整塊感光元件前加上一塊單色的濾色鏡,然後輪流更換不同的濾色鏡,一次只記錄一種顏色的強度。然後,依照濾鏡的波段賦予影像顏色,進行疊合,得到一張還原真實顏色的照片。如此一來,我們就能用較長的拍攝時間,來換取最完整的資訊量。以天文研究來說,這種做法更加划算。

另外,由於視錐細胞並不是只對單一波長的光敏感,而是能夠接收波長範圍大約數百奈米寬的光,因此若是要還原真實顏色的影像,人們通常會使用寬頻濾鏡(Broadband filter),也就是波段跨足數百奈米的濾鏡進行拍攝。

美麗之外?濾鏡的科學妙用

雖然還原天體的真實顏色是個相當直覺的作法,但既然我們有能力分開不同的顏色,當然就有各式各樣的應用方法。當電子從高能階躍遷回到低能階,就會釋放能量,也就是放出固定波長的電磁波。若是受到激發的元素不同,電子躍遷時放出的電磁波波長也會隨之改變,呈現出不同顏色的光。

如果我們在拍攝時,可以只捕捉這些特定波長的光,那我們拍出的照片,就代表著該元素在宇宙中的分佈位置。對天文學家來說,這是相當重要的資訊。因此,我們也常使用所謂的窄頻濾鏡(Narrowband filter),只接收目標波段周圍數十甚至數個奈米寬的波長範圍。常見的窄頻濾鏡有氫(H)、氦(He)、氮(N)、氧(O)、硫(S)等等。

有時候,按照原本的顏色疊合一組元素影像並不是那麼妥當,例如 H-alpha(氫原子)和 N II(氮離子)這兩條譜線,同樣都是波長 600 多奈米的紅色光,但如果按照它們原本的波長,在合成影像時都用紅色表示,就很難分辨氫和氮的分布狀態。這時候,天文學家們會按照各個元素之間的相對波長來配製顏色。

以底下的氣泡星雲(Bubble Nebula, NGC7635)為例,波長比較長的 N II 會被調成紅色,相對短一點的 H-alpha 就會調成綠色,而原本是綠色的 O III 氧離子則會被調成藍色。如此一來,我們就可以相對輕鬆地在畫面中分辨各個元素出現的位置。缺點是,如果我們真的用肉眼觀測這些天體,看到的顏色就會跟圖中大不相同。

由哈伯太空望遠鏡拍攝的氣泡星雲,使用了三種波段的窄頻濾鏡。圖/NASA

當然,這種人工配製顏色的方法也可以用來呈現可見光以外的電磁波,例如紅外線、紫外線等。舉哈伯太空望遠鏡的代表作「創生之柱」為例,他們使用了兩個近紅外線波段,比較長波的 F160W 在 1400~1700nm,比較短的 F110W在900~1400nm,分別就被調成了黃色和藍色。星點發出的紅外光穿越了創生之柱的塵埃,與可見光疊合的影像比較,各有各的獨特之處。

三窄頻濾鏡疊合的可見光影像與兩近紅外線波段疊合的影像對比。圖/NASA

望遠鏡接收來自千萬光年外的天體光線,一顆一顆的光子累積成影像上的點點像素,經過科學家們的巧手,成為烙印在人們記憶中的壯麗影像。有些天體按照他們原始的顏色重組,讓我們有如身歷其境,親眼見證它們的存在;有些影像雖然經過調製,並非原汁原味,卻調和了肉眼所不能見的波段,讓我們得以一窺它們背後的故事。

全國大學天文社聯盟
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為什麼量子電腦這麼難懂?大概就跟 60 年前要聽懂原子筆一樣難!——專訪旺宏電子盧志遠總經理
科技大觀園_96
・2021/07/21 ・4276字 ・閱讀時間約 8 分鐘

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近代知名的理論物理學家理查.費曼 (Richard P. Feynman)曾經說過一句名言:
「我認為,沒有人能真正了解量子力學!」
(I think I can safely say that nobody understands quantum mechanics.)

量子力學到底是什麼?為什麼量子力學可以這麼難懂?最近夯翻天的量子電腦,又是怎麼一回事呢?

中央研究院盧志遠院士不僅曾擔任交通大學教授、 AT&T Bell Lab 計畫主持人,回國後至工研院電子所、經濟部次微米計畫專案總主持人,也投身產業界,先後擔任世界先進積體電路公司、欣銓科技公司、旺宏電子公司等高階決策及董事會團隊,榮獲工研院院士、世界科學院院士、美國國家發明家學院院士、總統科學獎等榮譽,在產、官、學、研四方均有崇高的成就與地位。

因此,科技大觀園特別邀請盧志遠院士,透過訪談,為我們解開量子科技的神秘面紗。

盧志遠院士。圖/盧志遠 院士提供

我談的是足球場,你卻在講足球

盧志遠表示,量子力學會這麼難懂,跟我們看世界的「尺度」有關,當我們看世界的尺度不一樣了,很多看起來應該要很怪的現象,都會變得不奇怪了。

以人類的視角為例,雖然人類在地球上生活了這麼久,但我們的視野實在是太小了,小到仍有許多人認為地球是平的,對許多人來說,要想像自己住在一顆大圓球上,這真的是太怪了!

在當今科學界由人類發展出來的理論中,古典物理適合解釋人們生活的範圍,相對論擅長處理大世界的、天文物理的現象,而量子力學則專門處理「小世界」的問題。

以我們最熟悉的古典物理為例,在地球人生活的範圍和尺度中,以牛頓力學為基石的古典物理都是沒有問題的、具有解釋力的,然而,當我們的眼光放大到整個銀河系時,古典物理就不行了。

同樣的,當我們把視野縮得非常小,小到原子以下時,即使牛頓復活,他與他的運動定律對微觀尺度的現象也將無可奈何。

這些尺度的差異,就像是足球場與足球,甚至是足球場與一滴汗水的大小差異一樣,當尺度不同時,我們看到的現象與解釋方法也會不盡相同,這也就是人們「難以搞懂量子力學」的真正原因,畢竟,量子力學談的東西真的太、小、了!

那些年,讓科學家黑人問號的商品

面對近期出現的「量子」商品,盧志遠笑著問道:「你們有沒有想過,為什麼原子筆要叫做『原子』筆?」

原子筆跟原子有什麼關係呢?圖/pixabay

1960 年代左右,當原子筆準備從歐美進入中文市場時,原子筆尚未擁有自己的中文名稱。

然而,在原子彈、原子能源崛起的年代,「原子」在當時是非常高科技、前端的科學名詞,這種新產品又是當時最新潮、最高級的文具, 因此廠商將其命名為「原子筆」,象徵它是一種尖端科技下的高檔文具

也就是說,原子筆會叫做原子筆,單純只是因為「原子」聽起來很潮。

看到這裡,你是否感到無言以對?隨著科學進展、科學教育普及,接受過十二年國教的我們都知道,「原子」不過就是組成物質的基本結構之一。

原子鍵盤、原子衛生紙、原子杯?天哪!根本一點邏輯都沒有啊!

從原子筆的故事中,我們不難發現,面對「新穎、陌生的科學名詞」時,一般大眾時常抱持著憧憬嚮往、高科技的想像,為了吸引消費者的目光,各大廠商也會為自家產品,冠上這些根本毫無邏輯可言的名詞,濫用新穎的科學概念,像是太空被、磁場面膜、量子假睫毛、AI 牙刷等等。

一顆量子?「量子」根本不是一個東西!

盧志遠感慨道,大約每過十年,就會有產品都會被冠上類似的新名詞,而廠商會透過這些科學名詞,讓大家覺得它們的商品很新鮮、有力量又性感。

近年來,量子力學逐漸走入大眾視野,由於量子力學艱深又新穎,就如同原子筆一樣,許多錯誤的理解和誤用逐漸浮現在世人眼前,例如,市面上已經有許多民生用品、心理諮商的服務被廠商冠上「量子」的名義,甚至以為量子就像是一顆一顆原子一樣,誤將量子當作實體的名詞。

事實上,量子(Quantum)並不是一個「子」,而是一種物理學概念,可以描述物質也可以描述能量。

如果一個物理量存在最小的不可分割的單位,那麼這個最小單位就稱為量子。例如在微觀的世界中,能量的狀態是不連續的,是由一小塊、一小塊能量所組成的能量,而這個最小且不能分割的能量狀態,就是量子。

因為人的世界是巨觀、是連續的,所以不能體會微觀的世界,在巨觀解析度不夠的情況下,才會誤認能量是連續的。就是因為量子是如此的微小,這麼巨大的人類,又怎麼能輕鬆弄懂「量子疊加態、量子糾纏」呢?在我們人類自身尺度、溫度等各種環境中,如此的觀念或現象是極少能夠被體驗的!

既然搞不懂,量子電腦又是怎麼來的?

想必大家都有聽過「量子電腦」的鼎鼎大名,甚至耳聞「量子霸權」這等氣勢恢弘的名詞,可是,之前費曼不是說過沒有人可以搞懂量子力學嗎?既然如此,量子電腦又是怎麼做出來的呢?

IBM的量子電腦。圖/flickr

簡單來說,就是「縱使相當多科學家不完全懂,但是每一個人都會用」。

大家一定都有過「我不懂這個公式從哪來,但是我知道怎麼用」的經驗,就算我們已經忘了如何推導橢圓公式,也搞不懂橢圓公式的原理,但高中生都可以靠著公式,有效解決數學考卷上的各種題目。

又好像每個人都在滑手機,但對於手機裡的中央處理器及高階 3D 記憶體是甚麼東西?相互作用的原理又是甚麼?不要說一般人,可能連非本科的專家都參透不多。

雖然不懂原理,我們一樣可以把手機功能用的淋漓盡致,讓每個人都可以是傳說中具有神力的千里眼順風耳。

而量子電腦也是類似的概念,雖然我們距離完全了解量子力學還有很長遠的距離,還好的是,只需要少數專家皓首窮經了解深層原理與細部操作後,其他領域的專家或工程師就只需要知道在哪些特殊條件下,物質會呈現出量子力學的某些明顯特徵,並且運用這些特徵來進行計算,這樣就足夠推使人類科技應用及生活便利性往前進一大步。

現行量子電腦大多使用低溫環境滿足量子運算的條件,當量子電腦在接近絕對零度的極端低溫環境下時,每個原子的平均動能都非常低,不會破壞別人的量子態,如此一來,科學家就可以操縱在量子現象出現的環境中,藉由量子的疊加態、糾纏、測量等現象來完成特殊的量子運算。

量子電腦有什麼特別的?

比起傳統數位電腦,量子電腦處理資訊的方式完全不一樣,在處理特定問題時,不僅運算力更強,計算速度也會更快。

那是因為量子電腦可以多個量子位元平行處理,不像數位電腦只能序列性、一條一條路徑依序運算。

數位電腦透過0、1的二進位來進行運算,若我們想要讓數位電腦變得更快,就必須勤能補拙,使每單位運算的速度倍增,如果今天的數位電腦一秒鐘可以算一百萬次,未來,我們就要努力讓它在一秒鐘內算上一億萬次。

然而,數位電腦其實並不「聰明」,舉例而言,當我們向電腦要求「從臺灣大學找出一條最快抵達哈佛大學的路線」時,數位電腦會列出所有的路線,再找出旅行時間最短的路線,縱使數位電腦每秒鐘速度已達億萬次以上,要尋找這麼多的途徑,還是得花上很長的時間,有時需要萬年甚至比所謂宇宙生命更長的時間,也就是說,沒辦法解答!

但若以量子電腦來解決相同的問題,則量子位元可以將所有路徑一次性平行處理、同時計算,因此速度將變成指數式(量子位元數)的倍增。

而量子電腦則因為量子位元的特性,當位元數為 n 個時,比起傳統電腦的 n 或是 2n, 量子電腦的訊息空間為 2 的 n 次方,具有指數性成長的優勢,面對越困難複雜的問題,越能顯現量子電腦驚人的威力。

換句話說,量子電腦真正的威力並非計算速度較快,而是能夠平行處理問題。

量子科技興起,我們該如何應對?

2019年,Google與合作團隊提出了量子霸權(Quantum supremacy)的概念,並聲稱自己 53 量子位元(Qubit)的量子電腦達到了量子霸權的境界,可以處理傳統電腦無法處理的難題。由此可知,量子科技是將來的重要發展趨勢之一,我們可預期量子科技一定會對臺灣科技業造成很大的影響。

針對臺灣的未來,盧志遠保守的說,雖然臺灣擁有優秀的高科技人才、半導體產業,但我們只能說在量子科技領域中臺灣沒有處於劣勢,但也無法預期具備什麼明顯的優勢。因為一個從原理、技術、機器設備或使用材料都可能不同的新科技,過去的成功經驗不一定能完美複製,屆時產業及政經環境可能都有不同,既有的優點,有時反而造成拖累,此種現象,在科技破壞性替代時,曾經屢屢出現。

但也因為量子科技是無法迴避的趨勢,我們該如何應對?

以半導體產業做比喻,半導體產業粗分 IC 設計、晶圓製造、封裝、測試,同時需要許多高科技設備和原物料相配合,從結果來看,並沒有單一個企業能夠在不同領域都獲得成功、稱霸一方。

因為每個領域所需的專業技術或營運能力不同、投資也不同,如果同樣概念也適用量子科技產業,企業或國家都應該檢視自己的特長,隨時保持警覺,在最適當時機將有限資源投入最好的運用。

但即使量子科技浪潮來襲,盧志遠認為年輕人並不需要著急、也不需要跟風。可以選擇站在浪尖,也未嘗不可只在岸邊觀潮。

投入量子科技的科學研究,或是關注量子科技趨勢、使用量子科技帶來的成果與便利,創造因量子科技帶來的新應用領域,以破壞性創新發明新商業模式,可能反而是最大的機會。

就個人前途而言,應分析並認識自己的特質與人格找到屬於自己的方向,好好鑽研、好好做事。「成功」的最終門檻,仍然是內心的狂熱和喜歡。

參考文獻

  • Arute, F., Arya, K., Babbush, R., Bacon, D., Bardin, J. C., Barends, R., … & Martinis, J. M. (2019). Quantum supremacy using a programmable superconducting processor. Nature, 574(7779), 505-510.
  • 張元翔(2020)。量子電腦與量子計算|IBM Q Experience實作。碁峰。
  • Even Physicists Don’t Understand Quantum Mechanics
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科技大觀園_96
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為妥善保存多年來此類科普活動產出的成果,並使一般大眾能透過網際網路分享科普資源,科技部於2007年完成「科技大觀園」科普網站的建置,並於2008年1月正式上線營運。 「科技大觀園」網站為一數位整合平台,累積了大量的科普影音、科技新知、科普文章、科普演講及各類科普活動訊息,期使科學能扎根於每個人的生活與文化中。