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量子電腦為何比傳統電腦強大?量子運算的發展又有哪些挑戰呢?

Research Portal(科技政策觀點)_96
・2018/04/27 ・6199字 ・閱讀時間約 12 分鐘 ・SR值 587 ・九年級

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  • 文/林明宜 │ 國家實驗研究院科技政策與資訊中心助理研究員,研究領域為神經科學、醫學工程及前瞻技術趨勢分析

量子電腦挾著其強大運算速度和能力的潛能,使得全球科學界和產業界(Google, IBM, Microsoft, Intel 等)競相投入7。雖然目前仍在理論實踐和可操作原型發展階段,近年的技術突破似乎使得每年都「即將成功」的量子電腦真正更接近商業化應用。在今日知識經濟和全球化競爭的時代,運算能力即是國家和企業的競爭力,因此量子電腦在近年頻頻被各國視為重點發展技術,許多科技趨勢報告也將其列為年度突破11 12 13。國研院科政中心之前已經對各國的量子技術發展策略和台灣的研發現況撰寫專文討論(編按:參見英國量子技術發展戰略第二次量子革命啟動)。本文將更新近期技術發展趨勢和討論量子電腦未來對社會可能造成的衝擊。

圖/TheDigitalArtist @Pixabay

什麼是「量子運算」?從基本原理談起

量子位元(qubit)是量子電腦最基本的運算單元,為了使量子位元能夠被運用,量子必須達到量子疊加(quantum superposition)和量子糾纏狀態(quantum entanglement):即單一量子須同時處於兩種物理狀態,且兩個量子間需形成聯結,使得兩個量子即使不處於同一個空間,卻可以即時互相影響,才能做為量子運算基本單元17。量子可以是電子、離子或光子,只要能夠達到疊加和糾纏狀態就可以做為量子位元,量子位元的讀寫可透過微波、磁脈衝或雷射。目前主流的五種量子運算方式有矽自旋量子離子阱超導迴路鑽石空位拓樸量子

量子疊加可以用丟擲硬幣比喻:硬幣可為頭像(1)或反面(0)就如同傳統的位元,將硬幣擲到空中轉動時,硬幣不停在頭像和反面轉換,在空中旋轉時就像是同時為 1 和 0,只有真正落下後才知道最後落在那一面。以電子做為量子為例,電子自旋向下時能量最低為 0,可利用特定頻率的微波脈衝加熱電子,使電子獲得能量後自旋向上,寫為 1,若將量子置於矽晶體電極中,就可以量測到電流獲知量子的狀態。

圖/jarmoluk @Pixabay

那麼又如何達成量子糾纏狀態?若以光子為例,科學家可以用雷射產生大量光子射入兩層超薄,相性相反的非線性晶體,當光子通過非線性晶體時,偶爾會產生成對的光子,由於兩層晶體相位相反,產生的光子極性相反,可能為垂直或是水平,又因為晶體極薄,光子的相位是垂直或水平,只有在量測時可以得知,而且這對光子的相位一個若為垂直,另一個就必為水平,反之亦然,此時這對光子的狀態就稱為量子糾纏狀態。

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量子糾纏示意圖 圖/作者提供

由於量子位元的疊加和糾纏特性,使得量子位元可以不像傳統電腦位元只能為 0 或 1,而是能夠同時為 0 和 1,此特性使量子位元的運算能力增加,量子電腦得以進行大量資料的平行運算。

量子電腦為何比傳統電腦強大?

如前所述,量子電腦不像傳統電腦,運算步驟被位元數限制。如果想找出 4 位元(可為 0 或 1)組合中某一組數字,傳統電腦最多需要嘗試到 16 次,平均需要嘗試 8 次;如果想找出 20 位元組合的其中一組數字,最多需要嘗試到約一百萬次運算步驟。由此可知傳統電腦在解決這類問題時,嘗試的次數和所欲搜尋的數字可能組數呈線性關係,當所運算的可能性呈指數成長時,即使是超級電腦,所需要的運算時間將長到無法實際用來解決問題。量子運算由於其特殊的量子特性,在上述的 4 位元組合數字問題,量子運算可以在 4 次運算後直接得到 16 種可能情形中的解答,在 1000 次運算後即可找出 20 位元組合,一百萬個可能的其中一組特定數字,運算次數只需可能情形總數的平方根,滿足指數型的複雜運算需求。

要發展量子運算,還有哪些技術挑戰?

(一)穩定量子態的維持

細緻的量子態十分容易受到振動或電磁場,甚至一般熱擾動的干擾,所以現在的量子電腦需要在接近絕對零度的超低溫度操作8。目前主要的技術瓶頸除了增加量子位元數之外,就是如何維持穩定量子態,使量子維持在某個量子態時間(相干時間,coherence time)夠長,足以完成運算工作並增加運算正確率。

其中微軟的研究團隊正嘗試操縱 2012 年才被發現的「準粒子」,用編辮子糾結方式,使量子位元可以抵抗外界干擾,讓量子位元和繩結一樣穩定,如此一來,量子電腦的運算能力就不用再被大量浪費在更正錯誤上17

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(二)量子位元的可擴充性

另一個使量子電腦能夠進入實際應用的關鍵,是量子位元的可擴充性,現行主流量子運算技術之一的矽自旋量子,就是由於可以利用已經十分成熟的半導體技術,具有和現行電腦相容性,且被認為未來容易向上擴充,而吸引英特爾和其他研究人員投入研發。普林斯頓大學的實驗室近期在矽量子元件上有關鍵性的技術突破15,製造出能夠準確控制兩個電子之間量子行為,以矽為材料的元件,且錯誤率極低。這個突破性的量子位元邏輯閘,由高度有序排列的矽晶體構成,晶體上布有數十奈米的氧化鋁線,用來遞送電壓,將兩個被能階隔開的電子困在特定的量子點,再利用短暫的降低能階隔閡,使兩個電子能夠互相交換資訊,達到量子糾纏狀態。這項研究是第一次在矽材料中成功達到量子糾纏。研究人員可以利用磁場控制量子位元行為,目前控制電子量子態穩定度達 99%,而邏輯閘的可靠度達到 75%,這項技術除了具有可擴充性,錯誤率在未來還可能再下降。

(三)量子軟體研發

除此之外,為了使量子電腦真正發揮效能,專家們認為應該同步開發量子軟體20。量子運算程式的複雜度和難度源於量子電腦的本質,運算時將帶有一定程度的雜訊,所以程式設計時必需將量子電腦的物理原理和位元限制納入考量,需要先預建雜訊模擬模型,以處理操作正確性的問題。而早期發展出的量子電腦由於運算硬體設計尚未統一,將具有不同性質的細微差別,軟體需要一定程度的客製化。運算的高複雜度也將帶動新的演算法和開發工具的需求,量子電腦軟體設計人員需具備深厚的物理、數學和軟體工程知識,跨領域、對各領域有深度知識的人才培育將會是軟體研發的關鍵,同時許多量子軟體都有開源式社群開發平台,以群策群力結合資源加速早期軟體開發速度。

量子電腦發展現況

  • IBM 官方釋出的量子電腦研究室( IBM Q computation center)介紹影片

目前最早實際被投入應用的量子電腦由 5 個量子位元構成,由 IBM 研發,採用的是超導迴路技術,IBM 並在 2017 年底開始提供 20 位元的商業化雲端量子運算服務16。而 50 個量子位元是一個深具意義的里程碑,這代表著超越現有任何超級電腦可以達到的運算能力,象徵量子優越(quantum supremacy)時代的來臨,目前 IBM 已十分接近這個目標,建造出 50 量子位元的原型機4,Google 的團隊也緊追在後,2017 年 11 月的自然期刊中,麻省理工學院、哈佛、加州理工學院的合作團隊和馬里蘭大學的量子運算中心也分別用不同的技術達到 50 個量子位元的運算系統14;大陸在 2017 年底宣布將投資一百億美元成立新的量子電腦中心,預計在 2020 年開始運作5,日本也加入國際量子競賽,宣布免費提供量子類神經網路服務,並將投資 2 億 6 千 7 百萬美元,在 2018 年開始十年量子研發計畫18

雖然由於量子電腦特性,無法儲存資訊和運算結果,加上體積和所需要的硬體維護人員及費用高昂,在可見的未來都將與傳統電腦結合透過雲端提供運算服務,現在的量子電腦確實已經即將從實驗室步入實際應用,預備顛覆創新材料製造、化學製藥、人工智慧、網路安全和金融科技的領域。

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量子電腦未來普及,將對社會帶來哪些改變與衝擊?

(一)量子電腦和人工智慧的結合

圖/geralt @Pixabay

量子電腦的強項在於亂數產生、尋找未排序數列的最小值、解決圖論中的節點連結問題、特徴吻合等,科學家已經設計出多種量子演算法,來解決傳統電腦不易解決的問題16。其中 2008 年由三位科學家 Harrow、 Hassidim 和 Lloyd 發明的量子演算法 HHL,能夠快速解決多自由度,龐大的線性代數問題;而機器學習正好大量倚重這類型的大量線性代數運算,因此專家們很快就開始試圖將量子演算法和機器學習結合,機器學習是少數在量子電腦發展早期就有機會找到利基的領域。

雖然短期內傳統的機器學習仍會較早開始實際應用在交通、醫學和金融市場,量子系統在產生真正亂數和處理非傳統二進位式資料會時將占有較大的優勢,例如傳統常應用於金融市場的蒙地卡羅機器學習演算法,需要產生真正的亂數才能有最佳表現,此時量子電腦的長處就可以被展現10。許多量子機器學習新創公司已經開始研發如何利用量子系統加速機器學習,其市場潛能也吸引了許多資金投入19

(二)量子電腦在化學和製藥的應用

圖/hioahelsefag @Pixabay

一般專家普遍認為,化學將是量子運算最強且最立即的應用9。量子電腦將可以用來幫助設計乾淨能源所需要的催化劑,了解生物體內的酵素,發現新的太陽能電池材料或高溫超導體材料。它的優勢在於超乎現有傳統電腦的強大運算能力,足以真正模擬和創造複雜的電子和分子互動模型。

一般進行化學反應模擬時,由於需了解各分子所含原子彼此間互動情形,需計算各原子的電子互動能量,包含所有電子的位置和能階(即軌域)。現有的傳統電腦在 125 個軌域時,就需要超出宇宙所有原子數量的記億體來儲存所有的資訊,實際上無法處理如此大量複雜的資料和運算,因此現在的量子化學家在建模型時,常必須故意省略某些電子的行為特性,尤其是電子間強烈互動的情形。這種近似算法在模擬有機化學分子時是可以接受的,但是在金屬分子這種大量電子擠在極小空間的例子,電子間的強互動卻正是它的本質,被忽略就無法真正了解實際的化學原理。類似無法被簡化的傳統方式模擬的例子還有高溫超導體材料、含金屬的酵素活性位點等。

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然而量子位元的疊加特性使量子電腦能夠輕鬆完成這類運算,對新藥和新材料研發做出極大的貢獻,一旦技術成熟,新藥的研發前期將可透過量子電腦模擬化合物結構和生物體內酵素或受器的交互作用,對療效和副作用做較佳的預測,減少研發時間和成本,熟悉並且了解如何利用量子運算的廠商在新藥設計就會占有先機。

(三)量子電腦對比特幣市場和區塊鏈安全的威脅

圖/BenjaminNelan @Pixabay

虛擬貨幣比特幣和其他使用區塊鏈技術之應用的安全性,在於其加密的強度很高,不容易被傳統電腦破解,當擅長於複雜運算及密碼破解的量子電腦技術漸趨成熟,會不會對這些應用產生威脅?例如現行的比特幣協定,利用生成一個特定的隨機數(nonce)做為新區塊鏈生成的必要條件之一,而生成這個隨機數需要大量的計算能力,礦工挖礦就是提供計算能力,並獲得比特幣做為獎勵。然而偶爾會有兩組礦工同時宣告兩個不同的區塊,此時比特幣協定會以已完成較多運算的區塊為主,抛棄另一個落後的區塊,這會導致網路中擁有多數運算能力的礦工永遠獲得下一個區塊,成為控制比特幣帳簿的主宰。如果量子電腦加入挖礦的行列,並且展現出壓倒性超出其他礦工的計算能力,整個比特幣市場就可能瓦解。新加坡國立大學的研究人員針對這個可能,對未來十年量子電腦運算能力的預測和目前用來挖礦的電路運算能力成長做比較;結果發現,未來十年內現有的硬體還能夠在速度上占有優勢,量子電腦主宰比特幣挖礦的情況應該不至於馬上發生。

然而比特幣的另一個安全協定特徵,橢圓曲線數位簽章(elliptic curve signature)卻可能更快在量子運算下暴露出弱點,比特幣的擁有者會握有一個私有密鑰和發布一個公開密鑰,在不公布私有密鑰的情形下,利用公開密鑰來證明自己是這個比特幣的擁有者,而公開密鑰可以很容易的由私有密鑰生成,反之則不然。雖然傳統電腦很難透過公開密鑰算出私有密鑰,對量子電腦來說卻很容易,研究人員估計在 2027 年這項安全協定就可能會被破解6

雖然比特幣和其他虛擬貨幣還未真正普及,但其交易熱度和市場接受度日漸增加,在金融市場逐漸開始接受和嘗試奠基於密碼保護的數位化交易平台時,量子運算技術對區塊鏈的威脅和未來金融市場的衝擊不可小覷,在可見的未來,這場矛與盾的對決將隨著量子運算漸趨成熟,和區塊鏈技術的普及化越來越激烈。

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結語:量子電腦的未來,企業與國家的挑戰

IBM 推出的 20 量子位元的商業化雲端量子運算服務,是量子電腦的重大里程碑,象徵著量子運算時代的曙光乍現,有些分析指出最快 2 到 5 年內,量子運算會開始進入實質企業應用。

如前文所述,也許量子電腦初期的應用是在於特定領域解決特定的問題,同時需搭配傳統電腦作為運算升級之用,但仍然具有極大潛在的商業機會或是風險。如同人工智慧的快速發展,一旦量子電腦起飛,企業和國家如何因應和準備,找到利基,建立差異化優勢,又如何預應風險,例如發展不受量子運算破解的加密方式,維護資料安全等,都需要全方位的整體性思考及規畫。

參考資料:

  1. 陳蔚然(2017)。第二次量子革命啟動
  2. 王宣智(2015) 。英國量子技術發展戰略
  3. Ashley Montanaro. (2016). Quantum algorithms: an overview.
  4. Associated Press. (2017). IBM says it’s reached milestone in quantum computing.
  5. Brian Wang. (2017). China will open a $10 billion quantum computer center and others also investing in quantum computing.
  6. Emerging Technology from the arXiv. (2017). Quantum computers pose imminent threat to bitcoin security.
  7. Idalia Friedson. (2017). Quantum computing will be a huge advantage to whatever nation gets it to work first.
  8. Jennifer ouellete. (2017). Nanofridge could keep quantum computers cool enough to calculate.
  9. Katherine Bourzac. (2017). Chemistry is quantum computing’s killer app.
  10. Mark Anderson. (2017). A hybrid of quantum computing and machine learning is spawning new ventures.
  11. MIT review. (2017). 10 breakthrough technologies 2017.
  12. OECD. (2016). OECD Science, Technology and Innovation Outlook 2016.
  13. Office of the deputy assistant secretary of the army (research & technology). (2016). Emerging science and technology trends: 2016-2045.
  14. Peter Reuell. (2017). Researchers create quantum calculator.
  15. Princeton University. (2017). New silicon structure opens the gate to quantum computers.
  16. Ron Miller. (2017). IBM makes 20 qubit quantum computing machine available as a cloud service.
  17. Russ Juskalian. (2017). Practical quantum computers.
  18. Tiffany Trader. (2017). Japan unveils quantum neural network.
  19. Will Knight. (2017). A start up uses quantum computing to boost machine learning.
  20. Will Zeng, Blake Johnson, Robert Smith, Nick Rubin, Matt Reagor, Colm Ryan& Chad Rigetti. (20173). First quantum computers need smart software.
  21. IBM Quantum Computing 

本文轉載自科技政策與資訊中心網站《科技政策觀點》,原文標題《量子電腦─曙光乍現

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地震之島的生存法則!921地震教育園區揭開台灣的防災祕密
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/09/20 ・4553字 ・閱讀時間約 9 分鐘

為什麼台灣會像坐在搖搖椅上,總是時不時地晃動?這個問題或許有些令人不安,但卻是我們生活在這片土地上的現實。根據氣象署統計,台灣每年有 40,000 次以上的地震,其中有感地震超過 1,000 次。2024年4月3日,花蓮的大地震發生後,台灣就經歷了超過 1,000 次餘震,這些數據被視覺化後形成的圖像,宛如台北101大樓般高聳穿雲,再次引發了全球對台灣地震頻繁性的關注。

地震發生後,許多外國媒體擔心半導體產業會受影響,但更讓他們稱奇的是,台灣竟然能在這麼大的地震之下,將傷害降到這麼低,並迅速恢復。不禁讓人想問,自從 25 年前的 921大地震以來,台灣經歷了哪些改變?哪些地方可能再發生大地震?如果只是遲早,我們該如何做好更萬全的準備?

要找到這些問題的答案,最合適的地點就在一座從地震遺跡中冒出的主題博物館:國立自然科學博物館的 921地震教育園區。

圖:跑道捕捉了地震的瞬間 / 圖片來源:劉志恆/青玥攝影

下一個大地震在哪、何時?先聽斷層說了什麼

1999年9月21日凌晨1點47分,台灣發生了一場規模7.3的大地震,震央在南投縣集集鎮,全台 5 萬棟房子遭震垮,罹難人數超過 2,400 人。其中,台中霧峰光復國中校區因車籠埔斷層通過,地面隆起2.6公尺,多棟校舍損毀。政府決定在此設立921地震教育園區,保留這段震撼人心的歷史,並作為防災教育的重要基地。園區內兩處地震遺跡依特性設置為「車籠埔斷層保存館」和「地震工程教育館」。

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車籠埔斷層保存館建於原操場位置,為了保存地表破裂及巨大抬升,所以整體設計不採用樑柱結構,而是由82根長12公尺、寬2.4公尺、重約10噸的預鑄預力混凝板組成,外觀為曲線造型,技術難度極高,屬國內外首見,並榮獲多項建築獎。而地震工程教育館保留了原光復國中受損校舍,讓民眾親眼見證地震的驚人破壞力,進一步強調建築結構與安全的重要性。毀損教室旁設有由園區與「國家地震工程研究中心」共同策劃的展示館,透過互動展示,讓參觀者親手操作,學習地震工程相關知識。

國立自然科學博物館地質學組研究員蔣正興博士表示,面積上,台灣是一個狹長的小島,卻擁有高達近4000公尺的山脈,彰顯了板塊激烈擠壓、地質活動極為活躍的背景。回顧過去一百年的地震歷史,從1906年的梅山地震、1935年的新竹-台中地震,到1999年的921大地震,都發生在台灣西部,與西部的活動斷層有密切關聯,震源位於淺層,加上人口密度較高,因此對台灣西部造成了嚴重的災情。

而台灣東部是板塊劇烈擠壓的區域,地震震源分佈更廣。與西部相比,雖然東部地震更頻繁,但由於人口密度相對較低,災情相對較少。此外,台灣東北部和外海也是地震多發區,尤其是菲律賓海板塊往北隱沒至歐亞板塊的隱沒地震帶,至沖繩海槽向北延伸,甚至可能影響到台北下方,發生直下型地震,這種地震因震源位於城市正下方,危害特別大,加上台北市房屋非常老舊,若發生直下型地震,災情將非常嚴重。

除了台北市,蔣正興博士指出在台灣西部,我們特別需要關注的就是彰化斷層的影響,該斷層曾於1848年發生巨大錯動。此外,我們也需要留意西南部的地震風險,如 1906 年的梅山地震。此兩條活動斷層距今皆已超過 100 年沒活動了。至於東部,因為存在眾多活動斷層,當然也需要持續注意。

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我們之所以擔心某些斷層,是因為這些區域可能已經累積了相當多的能量,一旦達到臨界點,就會釋放,進而引發地震。地質學家通常會沿著斷層挖掘,尋找過去地震的證據,如受構造擾動沉積物的變化,然後透過定年技術來確定地震發生的時間點,估算出斷層的地震週期,然而,這些數字的計算過程非常複雜,需要綜合大量數據。

挑戰在於,有些斷層的活動時間非常久遠,要找到活動證據並不容易。例如,1906年的梅山地震,即使不算久遠,但挖掘出相關斷層的具體位置仍然困難,更不用說那些數百年才活動一次的斷層,如台北的山腳斷層,因為上頭覆蓋了大量沉積物,要找到並研究這些斷層更加困難。

儘管我們很難預測哪個斷層會再次活動,我們仍然可以預先對這些構造做風險評估,從過往地震事件中找到應變之道。而 921 地震教育園區,就是那個可以發現應變之道的地方。

圖:北棟教室毀損區 / 圖片來源:劉志恆/青玥攝影

921 後的 25 年

在園區服務已 11 年的黃英哲擔任志工輔導員,常代表園區到各地進行地震防災宣導。他細數 921 之後,台灣進行的六大改革。制定災害防救法,取代了總統緊急命令。修訂了建築法規,推動斷層帶禁限建與傳統校舍建築改建。組建災難搜救隊伍,在面對未來災害時能更加自主應對。為保存文化資產,增設了歷史建築類別,確保具有保存價值的建築物得到妥善照料。

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最後,則是推行防災教育。黃英哲表示,除了在學校定期進行防災演練,提升防災意識外,更建立了921地震教育園區,不僅作為教育場所,也是跨部門合作的平台,例如與交通部氣象署、災害防救辦公室、教育部等單位合作,進行全面的防災教育。園區內保留了斷層線的舊址,讓遊客能夠直觀地了解地震的破壞力,最具可看性;然而除此之外,園區也是 921 地震相關文物和資料的重要儲存地,為未來的地震研究提供了寶貴的資源。

堪稱園區元老,在園區服務將近 19 年,主要負責日語解說工作的陳婉茹認為,園區最大的特色是保存了斷層造成的地景變化,如抬升的操場和毀壞的教室場景,讓造訪的每個人直觀地感受地震的威力,尤其是對於年輕的小朋友,即使他們沒有親身經歷過,也能透過這些真實的展示認識到地震帶來的危險與影響。

陳婉茹回憶,之前有爸媽帶著小學低年級的小朋友來參觀,原本小朋友並不認真聽講,到處跑來跑去,但當他看到隆起的操場,立刻大聲說這他在課本看過,後來便聚精會神地聽完 40 分鐘的解說。

圖:陳婉茹在第一線負責解說工作 / 圖片來源:921地震教育園區

除了每看必震撼的地景,園區也透過持續更新策展,邀請大家深入地震跟防災的各個面向。策展人黃惠瑛負責展示設計、活動規劃、教具設計等工作。她提到,去年推出的搜救犬特展和今年的「921震災啓示展」與她的個人經歷息息相關。921 大地震時的她還是一名台中女中的住宿生,當時她儘管驚恐,依舊背著腿軟的學姊下樓,讓她在策劃這些展覽時充滿了反思。

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在地震體驗平臺的設計中,黃惠瑛強調不僅要讓觀眾了解災害的破壞力,更希望觀眾能從中學到防災知識。她與設計師合作,一樓展示區採用了時光機的概念,運用輕鬆、童趣的風格,希望遊客保持積極心態。二樓的地震體驗平臺結合六軸震動臺和影片,讓遊客真實感受921地震的情境。她強調,這次展覽的目標是全民,設計上避免了血腥和悲傷的元素,旨在讓觀眾帶著正向的感受離開,並重視防災意識。

圖:地震體驗劇場 / 圖片來源:921地震教育園區

籌備今年展覽的最大挑戰是緊迫的時間。從五月開始,九月完成,為了迅速而有效地與設計師溝通,黃惠瑛使用了AI工具如ChatGPT與生成圖像工具,來加快與設計師溝通的過程。

圖:黃惠瑛與設計師於文件中討論設計/ 圖片來源:921地震教育園區

蔣正興博士說,當初學界建議在此設立地震教育園區,其中一位重要推手是法國地質學家安朔葉。他曾在台灣指導十位台灣博士生,這些博士後來成為地質研究的中堅力量。1999年921大地震後,安朔葉教授立刻趕到台灣,認為光復國中是全球研究斷層和地震的最佳觀察點,建議必須保存。為紀念園區今年成立20週年,在斷層館的展示更新中,便特別強調安朔葉的貢獻與當時的操場圖。

此外,作為 20 週年的相關活動,今年九月也將與日本野島斷層保存館簽署合作備忘錄(MOU),強化合作並展示台日合作歷史。另一重頭戲則是向日本兵庫縣人與自然博物館主任研究員加藤茂弘致贈感謝狀,感謝他不遺餘力,長期協助園區斷層保存館的剖面展品保存工作。

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右圖:法國巴黎居禮大學安朔葉教授。左圖:兵庫縣立人與自然博物館主任研究員加藤茂弘
/ 圖片來源:921地震教育園區

前事不忘,後事之師

盡力保存斷層跟受創校舍,只因不想再重蹈覆徹。蔣正興博士表示,921地震發生在車籠埔斷層,其錯動形式成為全球地質研究的典範,尤其是在研究斷層帶災害方面。統計數據顯示,距離車籠埔斷層約100公尺內,住在上盤的罹難率約為1%,而下盤則約為0.6%。這說明住在斷層附近,特別是上盤,是非常危險的。由於台灣主要是逆斷層活動,這一數據清楚告訴我們,在上盤區域建設居住區應特別小心。

2018年花蓮米崙斷層地震就是一個例證。

在921地震後,政府在斷層帶兩側劃設了「地質敏感區」。因為斷層活動週期較長,全球大部分地區難以測試劃設敏感區的有效性,但台灣不同,斷層活動十分頻繁。例如 1951 年,米崙斷層造成縱谷地震,規模達 7.3,僅隔 67 年後,在 2018 年再次發生花蓮地震,這在全球是罕見的,也因此 2016 年劃設的地質敏感區,在 2018 年的地震中便發現,的確更容易發生地表破裂與建築受損,驗證了地質敏感區劃設的有效性。

圖:黃英哲表示曾來園區參訪的兒童寄來的問候信,是他認真工作的動力 / 圖片來源:921地震教育園區

在過去的20年裡,921地震教育園區不僅見證了台灣在防災教育上的進步,也承載著無數來訪者的情感與記憶。每一處地震遺跡,每一項展示,都在默默提醒我們,那段傷痛歷史並未走遠。然而,我們對抗自然的力量,並非源自恐懼,而是源自對生命的尊重與守護。當你走進這座園區,感受那因地震而隆起的操場,或是走過曾經遭受重創的教室,你會發現,這不僅僅是歷史的展示,更是我們每一個人的責任與使命。

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來吧,今年九月,走進921地震教育園區,一起在這裡找尋對未來的啓示,為台灣的下一代共同築起一個更堅固、更安全的家園。

圖:今年九月,走進921地震教育園區 / 圖片來源:劉志恆/青玥攝影

延伸閱讀:
高風險? 家踩「斷層帶、地質敏感區」買房留意
「我摸到台灣的心臟!」法國地質學家安朔葉讓「池上斷層」揚名國際
百年驚奇-霧峰九二一地震教育園區|天下雜誌

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量子糾纏態的物理
賴昭正_96
・2024/04/24 ・5889字 ・閱讀時間約 12 分鐘

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  • 作者/賴昭正|前清大化學系教授、系主任、所長;合創科學月刊

我不會稱量子糾纏為量子力學的「一般 (a)」特徵,而是量子力學「獨具 (the)」的特徵,它強制了完全背離經典的思想路線。

——薛定鍔(Edwin Schrödinger)1933 年諾貝爾物理獎得主

相對論雖然改寫了三百多年來物理學家對時間及空間的看法,但並未改變人類幾千年來對「客觀宇宙」——「實在」(reality)——的認知與經驗:不管我們是否去看它,或者人類是否存在,月亮永遠不停地依一定的軌道圍繞地球運轉。可是量子力學呢?它完全推翻了「客觀宇宙」存在的觀念。在它的世界裡,因果律成了或然率,物體不再同時具有一定的位置與運動速度……。

這樣違反「常識」的宇宙觀,不要說一般人難以接受,就是量子力學革命先鋒的傅朗克(Max Planck)及愛因斯坦(Albert Einstein)也難以苟同!但在經過一番企圖挽回古典力學的努力失敗後,傅朗克終於牽就了新革命的產物;但愛因斯坦則一直堅持不相信上帝在跟我們玩骰子!因此 1935 年提出了現在稱為「EPR 悖論(EPR Paradox)」的論文,為他反對聲浪中的最後一篇影響深遠的傑作。

1964 年,出生於北愛爾蘭、研究基本粒子及加速器設計的貝爾(John Bell),利用「業餘」時間來探討量子力學的基礎問題,提出題為「關於愛因斯坦(Einstein)-波多爾斯基(Podolsky)-羅森(Roson)悖論」的論文。貝爾深入地研究量子理論,確立了該理論可以告訴我們有關物理世界基本性質的地方,使直接透過實驗來探索看似哲學的問題(如現實的本質)成為可能。

2022 年的諾貝爾物理獎頒發給三位「用光子糾纏實驗,……開創量子資訊科學」的業思特(Alain Aspect)、克勞瑟(John Clauser)、蔡林格(Anton Zeilinger)的物理學家。讀者在許多報章雜誌(如 12 月號《科學月刊》)均可看到有關貝爾及他們之工作的報導,但比較深入討論貝爾實驗的文章則幾乎沒有。事實上貝爾的數學確實是很難懂的,但只要對基本物理有點興趣,我們還是可以了解他所建議之實驗及其內涵的。因此如果讀者不怕一點數學與邏輯,請繼續讀下去吧:我們將用古典力學及量子力學推導出在實驗上容易證明/反駁的兩個不同結果。

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角動量與自旋角動量

在我們日常生活裡,一個物體(例如地球)可以擁有兩種不同類型的角動量。第一種類型是由於物體的質心繞著某個固定(例如太陽)的外部點旋轉而引起的,這通常稱為軌道角動量。第二種類型是由於物體的內部運動引起的,這通常稱為自旋角動量。在量子物理學裡,粒子可以由於其在空間中的運動而擁有軌道角動量,也可以由於其內部運動而擁有自旋角動量。實際上,因為基本粒子都是無結構的點粒子,用我們日常物體的比喻並不完全準確1;因此在量子力學中,最好將自旋角動量視為是粒子所擁有的「內在性質」,並不是粒子真正在旋轉。實驗發現大部分的基本粒子都具有獨特的自旋角動量,就像擁有獨特的電荷和質量一樣:電子的自旋角動量為 ½ 2,光子的自旋角動量為 1。

量子力學裡的角動量有兩個與我們熟悉之角動量非常不同的性質:

  1. 前者不能連續變化,而是像能量一樣被量化(quantized)了,例如電子的自旋量子數為 ½,所以我們在任何方向上所能量到的自旋角動量只能是 +½(順時針方向旋轉)或 -½(逆時針方向旋轉)
  2. 後者的角動量可以同時在不同的方向上有確定的分量,但基本粒的(自旋)角動量卻不能。

EPR 論文

EPR 論文討論的是位置與動量的客觀實在性;貝爾將其論點擴展到自旋粒子的角動量上,討論兩個粒子相撞後分別往左、右兩個不同方向飛離後的實驗。因曾相撞作用之故,它們具有「關連」(correlated)的自旋角動量;但常識與經驗告訴我們,如果分開得夠遠的話,它們之間應不再互相作用影響,因此我們在任一體系所做的測量也應只會影響到該體系而已。這「可分離性」(separability)及「局部性」(locality)的兩個假設可以説是物理學成功的基石,因此沒有人會懷疑其正確性的。

讓我們在這裡假設粒子相撞後的總自旋角動量爲零。如果我們測得左邊粒子的 B- 方向自旋為順時(見圖一),則可以透過「關連」而預測右邊粒子的 B- 方向自旋應為逆時。因右邊粒子一直是孤立的,基於物理體系的「可分離性」與「局部性」,如果我們可以預測到其自旋的話,則其自旋應該早就存在,爲一「實在」的自然界物理量。

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EPR 與貝爾實驗裝置。 圖/作者提供   

同樣地,如果我們突然改變主意去量得左邊粒子的 C- 方向自旋為順時,則也可以透過「關連」而預測到右邊粒子的 B- 方向自旋應為逆時。但右邊粒子一直是孤立的,因此其 C- 方向自旋也應該早就存在,亦爲一「實在」的自然界物理量。所以右邊的粒子毫無疑問地應同時具有一定的 B- 方向自旋與 C- 方向自旋。同樣的論點也告訴我們:左邊的粒子毫無疑問地也應同時具有一定的 B- 方向自旋與 C- 方向自旋。如果量子力學説粒子不能同時具有一定的 B- 方向與 C- 方向自旋,而只能告訴我們或然率,那量子力學顯然不是一個完整的理論!

貝爾的實驗

貝爾將這一個物理哲學上的爭論變成可以證明或反駁的實驗!如圖一,我們可以設計偵測器來測量相隔 120 度的 A、B、C 三個方向的自旋(順時或逆時)。依照古典力學(EPR),自旋在這三個方向上都有客觀的存在定值。假設左粒子分別為(順、順、逆);則因總自旋須爲零,右粒子在三方向的自旋相對應爲(逆、逆、順)。在此情況下,如果我們「同時去量同一方向」之左、右粒子自旋,應可以發現(順逆)(順逆)(逆順)三種組合。可是如果我們「同時且隨機地取方向去量」左、右粒子自旋,應可以發現的組合有(順逆)(順逆)(順順)(順逆)(順逆)(順順)(逆逆)(逆逆)(逆順)九種;其中相反自旋的結果佔了 5/9。讀者應該不難推出:不管粒子在三方向的自旋定值爲何,發現相反自旋的結果不是 5/9 就是 9/9,即永遠 ≥ 5/9。

量子力學怎麼說呢? 在同一個假設的情況下, 量子力學也說如果我們「同時去量同一方向」之左、右粒子自旋, 應發現的組合也是只有(順逆)(順逆)(逆順)三種。但量子力學卻說:可是如果我們「同時且隨機地取方向去量」左、右粒子自旋,則會得到不同於上面預測之 ≥ 5/9 的結果!為什麼呢?且聽量子力學道來。

量子力學與或然率

自動角動量。圖/作者提供

在古典力學裡,如果在某個方向測得的自旋角動量為 +½,則其在任何方向的分量應為 +½ cosθ,如圖二所示。但在量子力學裡,因為不可能同時在其它方向精確地測得自旋角動量,因此分量只能以出現 +½ 或 -½ 之或然率來表示;這與古典力學不同,也正是問題所在。但古典力學到底還是經過幾百年之火煉的真金,因此如果我們做無窮次的測量,則其結果應該與古典力學相同:即假設測得 +½ 的或然率是 P,則

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如果角度是 120º,則解得 P 等於 1/4:也就是說有 1/4 的機會量得與主測量同一方向(+½)自旋角動量,3/4 機會量得 -½ 自旋角動量。

讓我們看看這或然率用於上面所提到之貝爾實驗會得到怎麼樣的結果。依量子力學的計算,如果在左邊 A- 方向量得的是順時鐘的話,則因「關連」,右邊 A- 方向量得的便一定(100%)是逆時鐘;但因角動量不能同時在不同的方向上有確定的分量, 故在其它兩方向量得逆時鐘的或然率依照上面的計算將各爲 1/4,因此左、右同時測得相反自旋的或然率只有 ½ [=(1+1/4+1/4)*3/9,三方向、九方向組合]而己。

實驗結果呢?1/2,小於 5/9!顯然粒子在不同方向同時具有固定自旋的假設是錯的!EPR 是錯的!古典力學是錯的!量子力學戰勝了!貝爾失望克勞瑟賭輸了!

量子糾纏態

上面提到如果左邊 A- 方向量得的是順時鐘的話,則右邊 A- 方向量得的便一定(100%)是逆時鐘;可是左、右粒子在作用後,早已咫尺天涯,右粒子怎麼知道左粒子量得的是順時鐘呢?量子力學的另一大師薛定鍔(Edwin Schrödinger)從 EPR 論文裡悟到了「糾纏」(entanglement)的觀念。他認爲在相互作用後,兩個粒子便永遠糾纏在一起,形成了一個量子體系。因是一個體系,因此當我們去量左邊粒子之自旋時,量子體系波函數立即崩潰,使得右邊粒子具有一定且相反的自旋。可是右邊的粒子如何「立即知道」我們在量左邊的粒子 A- 方向及測得之值呢?那就只有靠愛因斯坦所謂之「鬼般的瞬間作用」(spooky action at a distance)了!此一超光速的作用轟動了科普讀者3!筆者也因之接到一些朋友的詢問,為寫這一篇文章的一大動機。

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可是仔細想一想,在古典力學裡不也是這樣——如果左邊 A- 方向量得的是順時,則右邊 A- 方向量得的便一定是逆時——嗎?但卻從來沒有科學家或科普讀者認為有「鬼般的瞬間作用」或「牛頓糾纏態」去告訴右邊粒子該出現什麼。這「鬼般的瞬間作用」事實上是因為在未測量之前,量子力學認為右邊粒子自旋是存在於一種沒有定值之或然率狀態的「奇怪」解釋所造成的。例如我們擲一顆骰子,量子力學說:在沒擲出之前,出現任何數的或然率「存在」於一種「波函數」中。但一旦擲出 4 後,波函數便將立即崩潰:原來出現 4 之 1/6 或然率立即瞬間變成 100%,其它數的或然率也立即瞬間全部變成零了。但在日常生活中,我們(包括 EPR)從不認為那些或然率「波函數」為一「客觀的實體」,故也從來沒有人問:其它數怎麼瞬間立即知道擲出 4 而不能再出現呢?波函數數怎麼瞬間立即崩潰呢?

事實上從上面的分析,讀者應該可以看出:根本不需要用「右粒子『知道』左粒子量得的是順時鐘」,我們所需要知道的只是量子力學的遊戲規則:粒子的角動量不能同時在不同方向上有確定的分量;即如果 100% 知道某一方向的自旋,其它方向的自旋便只能用或然率來表示。一旦承認這個遊戲規則,那麼什麼「量子糾纏態」或「鬼般的瞬間作用」便立即瞬間消失!這些「奇怪」名詞之所以出現,正是因為我們要使用日常生活經驗語言來解釋量子系統中訊息編碼之奇怪且違反直覺的特性4 所致。

結論

在想用日常生活邏輯或語言來了解自然界的運作失敗後,幾乎所有的物理學家現在都採取保利(Wolfgang Pauli)的態度:

了解「自然界是怎樣的(運作)」只不過是形上學家的夢想。我們實際上擁有的只是「我們能對大自然界說些什麼」。在量子力學層面,我們能說的就是我們能用數學來說的——結合實驗、測試、預測、觀察等。因此,幾乎所有其它事物在本質上都是類比和或想像的。事實上,類比或意象性的東西可能——而且經常——誤導我們。

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換句話說,物理學的任務是透過數學計算5,告訴我們在什麼時刻及什麼地方可以看到月亮;至於月亮是不是一直那裡,或怎麼會到那裡……則是哲學的問題,不是物理學能回答或必須回答的。如果硬要用日常生活邏輯或語言去解釋月亮怎麼出現到哪裡,那麼我們將常被誤導。

誠如筆者在『思考的極限:宇宙創造出「空間」與「時間」?』一文裡所說的:『空間與時間都根本不存在:它們只是分別用來說明物體間之相對位置與事件間之前後秩序的「語言」而已。沒有物體就沒有空間的必要;沒有事件就沒有時間的必要』,我們在這裡也可以說;「量子糾纏態」根本不存在,它只是用來說明量子力學之奇怪宇宙觀的「語言」而已;沒有量子力學的或然率自然界,就沒有「量子糾纏態」的必要。

註解

  1. 讓我們回顧一下在 1925 年最早提出電子自旋觀念的高玆密(Samuel Goudsmit)及烏倫別克(George Uhlenbeck)當時所遭遇到的困擾。如果不是因為他們那時還是個無名小卒的研究生,提出電子自旋的人大概便不是他們了!底下是烏倫別克的回憶:『然後我們再一起去請教(電磁學大師)羅倫玆(Hendrik Lorentz)。羅倫玆不只以他那人盡皆知的慈祥接待我們,並且還表現出很感興趣的樣子——雖然我覺得多少帶點悲觀。他答應將仔細想一想。一個多禮拜後,他交給我們一整潔的手稿。雖然我們無法完全了解那些長而繁的有關自旋電子的電磁性計算,但很明顯地,如果我們對電子自旋這一觀念太認真的話,則將遭遇到相當嚴重的難題!例如,依質能互換的原則,磁能便會大得使電子的質量必須大於質子;或者如果我們堅持電子的質量必須為已知的實驗數值,則電子必須比整個原子還大!高玆密及我都認為至少在目前我們最好不要發表任何東西。可是當我們將決定告訴羅倫玆教授時,他回答說:「我早已將你們的短文寄出去投稿了!你們倆還年青得可以去做一些愚蠢的事!」』。後來呢?電子自旋的概念在整個量子力學的系統裏,脫出了「點」與「非點」這類的爭論,而被物理學界普遍接受。今天當物理學家用「電子自旋」這一術語時,有他們特定的運作定義,絕不虛幻,但也絕不表示電子是一個旋轉的小球(因為那將與實驗不符);但是有時把電子看為自轉的小球,可以幫助我們理解與教育初學者。
  2. 單位為普朗克常數(Planck constant)除以 2π。
  3. 玻爾(Niel Bohr):「那些第一次接觸量子理論時不感到震驚的人不可能理解它。」
  4. 這種量子效應以前一直被認為造成困擾,導緻小型設備比大型設備的可靠性更低、更容易出錯。但 1995 年後,科學家開始認識到量子效應雖然「令人討厭」,但實際上可以用來執行以前不可能處理的重要資訊任務,「量子資訊科學」於焉誕生。
  5. 薛定鍔:「量子理論的數學框架已經通過了無數成功的測試,現在被普遍接受為對所有原子現象的一致和準確的描述。」

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,因此穫有「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。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科學月刊將我的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」推薦到泛科學重登。

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搭上量子科技熱潮,「量子系統推動小組」帶領臺灣站穩腳步
研之有物│中央研究院_96
・2023/04/14 ・7886字 ・閱讀時間約 16 分鐘

本文轉載自中央研究院「研之有物」,為「中研院廣告」

  • 採訪撰文/郭雅欣
  • 責任編輯/簡克志
  • 美術設計/蔡宛潔

臺灣量子科技的未來

量子科技腳步不遠了,臺灣甚至為此成立了「量子國家隊」。我們身處這轉變的時刻,應該先做好準備,了解量子科技究竟包含哪些部分,又會帶來哪些影響。中央研究院應用科學研究中心張文豪特聘研究員長期研究光量子技術,並擔任量子系統推動小組執行長。

在這次中研院「研之有物」的訪談中,張文豪除了帶領我們認識光量子技術裡的關鍵外,也會談談量子國家隊在忙些什麼?能否在這股量子科技發展的浪潮中,帶領臺灣站穩腳步?

中研院應科中心的張文豪特聘研究員,目前擔任量子系統推動小組執行長。圖/研之有物

量子科技即將走入你我的生活。有一天,我們將打開以量子位元建構的量子電腦,透過量子演算法進行各種計算,並把資訊用量子傳輸的方式傳遞出去。這樣的日子可能不遠了~

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為了因應量子科技時代的來臨,行政院去(2022)年 3 月宣布成立「量子國家隊」,由 17 個產學研團隊組成,包含了通用量子電腦硬體技術、光量子技術、量子軟體技術與應用開發這三大領域。同時亦成立「量子系統推動小組」進行跨部會整合,協助國家隊達成目標。

通用量子電腦硬體技術,是指開發以量子位元作為運算位元的量子電腦,在概念上接近一般電腦,有一個 CPU,有控制、讀取的晶片,可以透過程式設計得到你想做的計算。中研院的陳啟東研究員陳應誠研究員都是此領域的計畫主持人之一。

量子軟體技術與應用開發,顧名思義是軟體及演算法的開發,也包含未來量子電腦裡必須有的量子糾錯設計,以及量子計算的應用開發,如金融、製藥與材料開發等。中研院的鐘楷閔研究員是這領域的計畫主持人之一。

光量子技術,分為「光量子計算」與「量子通訊」。光量子計算是以光作為量子位元而設計的計算系統,而量子通訊則是以光的量子態來傳遞訊息。

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中研院應科中心特聘研究員張文豪長期研究光量子技術,並擔任量子系統推動小組執行長。在這次「研之有物」的訪談中,張文豪深入淺出地介紹了光量子技術,也與我們分享了許多量子國家隊的願景。

  • 在量子國家隊的三大領域中,您的專長在光量子計算與量子通訊。請問光量子計算與通用量子電腦有何不同?

光量子計算系統是針對特定問題而設計,當一個光量子系統設計好之後,由於光的晶片、路徑等都已經確定下來,無法中途改變,所以,它就只能對同一種問題做計算。光量子計算的困難在於光會跑,而且是用光速在跑,不會回頭。

也就是說,光子不會中途停止,一定會把整個計算做完。所以它跟一般的量子位元不一樣,一般的量子位元做完計算可以恢復原來的狀態。光子跑完就沒了,無法暫存,如果要重啟計算,要再給予新的光子。光量子計算對於一些傳統電腦難以解決問題,例如最佳化以及取樣的問題,有很大的幫助。

  • 量子通訊用的也是光量子技術,它和現在以光纖傳輸資訊,有什麼不同?

過往的光通訊是用「有沒有光」來當 0 跟 1 兩種狀態,量子通訊則是用光的量子態來當 0 跟 1,把訊息全部都用量子態編碼,這就是量子通訊的基本概念。而量子通訊的好處是因為竊取的動作會干擾量子態,因此資訊不容易被竊取,或者說外人無法在不被發現的情況下竊取資訊。這種通訊方式可以透過量子的性質本身,來保護資訊安全。

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量子加密的概念如上影片,Alice 要傳訊息給 Bob 之前,會先發送解密訊息的量子金鑰給 Bob,這個金鑰是由一顆顆光子構成,每顆光子都被賦予不同的偏振方向和順序。因為駭客無法與 Alice 逐個比對光子的偏振,竊取資訊時會干擾原本的量子態,導致接收端結果異常,Alice 和 Bob 會發現有人在竊聽。影/YouTube
  • 意思是說,量子通訊的發展不是為了讓資訊傳輸得更快,而是為了更安全?

對,其實這也牽涉到量子電腦的發展。因為量子電腦的一個重點,就是可以破解現今最常使用的密碼系統 RSA(知名的非對稱加密演算法)。雖然量子電腦可能不會那麼快發展出來,可能還要再等幾十年,但仔細想想,有沒有什麼資料其實必須保密幾十年呢?

有心人士可以現在就先截取訊息,等幾十年後有了量子電腦再來進行破解。基於這個原因,量子通訊的加密技術必須走得比量子電腦更快才行。

  • 量子通訊現在發展到什麼程度了?有什麼困難點?

在目前的各種量子技術中,量子通訊應該是發展最快的,它有一些難度,但沒有量子電腦那麼難。很好的量子通訊系統,要有好的單光子光源、高效率的偵測器,以及不會破壞量子態的傳輸通道。

好的單光子光源以及偵測器都不容易製作,但是因為量子通訊很重要,所以大家開始用替代的光源,比如把雷射光降到非常弱,弱到一次只會跑出一顆光子,偵測器的效率可能也只要六七成。這樣的話,儘管不是那麼完美,但還是可以得到量子通訊的好處。

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傳輸通道則是另一個困難點。訊息在傳輸過程中會慢慢衰減,所以目前的光纖每隔一段距離都有放大器,但放大器卻會對量子訊號造成干擾。清華大學褚志崧副教授團隊,為量子國家隊光量子研究團隊之一,他們就在進行這方面的研究,透過推動小組協助與中華電信建立合作,接下來就要在新竹、楊梅之間找到一條沒有經過放大器的光纖進行長距離量子通訊測試。

還有一種發展趨勢,就是往天上走,以衛星或低軌衛星來做量子通訊,這也是另一個較不受干擾的做法。

清華大學褚志崧副教授(左1),在量子推動小組的協助整合下,預計在新竹、楊梅之間找到一條沒有經過放大器的光纖進行長距離量子通訊測試。圖/工程科技推展中心

單量子的重要挑戰

量子通訊光源即便有點不盡完美,但仍可接受,不過光量子計算就不行了。光量子計算必須有良好的單光子光源及高效率的偵測器,才能正確地讓光子在系統中進行運算,並準確偵測輸出的結果。因此,「如何製造出好的單光子光源?」是張文豪以及其他光量子研究團隊的重要挑戰。

單光子光源指的是「一個時間點只會放出一個光子」的光源。從原理來說,這樣的光源是一個單一的二能階系統,也就是「基態—激發態」,當一個位於基態的電子獲得能量,躍遷到激發態,然後從激發態掉回基態時,就放出一顆特定波長的光子。

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單光子光源是一個二能階系統,每次只能放出一顆光子。圖/研之有物(資料來源|Scientific Reports

在這樣的二能階系統中,只要有一顆電子躍遷到激發態,在它還沒掉回基態前,我們無法激發另一顆電子到激發態去,張文豪形容:「所以這就像捷運的閘門,前一個沒過去之前,後一個進不來。」也因為這樣的機制,每次就只能放出一顆光子。

那麼,要在哪裡找到這樣的二能階系統呢?科學家最一開始的想法是用「單一原子」,例如鈉原子。但要把單一個原子分離出來太困難了,所以到了公元 2000 年後,科學家轉而從半導體製程上,尋找製造出單光子光源的「人造系統」,而目前有兩種最主要的做法,一個是製造「量子點」,一個是製造「缺陷」。

量子點是利用半導體製程做出的一個小體積物體,通常是將兩種不同材料疊起,因為彼此間的應力而凸起成一個「島狀物」,外面再用另一種材料包覆。這個島狀物裡面會產生類似於原子的能階,所以也被稱為「人造原子」。

除此之外,在晶體中製造出某些特定的缺陷,也能達到單一光子源的效果。這類缺陷中最常見的就是鑽石裡的「NV center」,意思是在鑽石晶體結構中,其中一個碳由氮(N)取代,這個氮的隔壁又有一個碳被拿掉,出現一個空缺(Vacuum)。這樣的缺陷裡也會產生上述的二能階系統,可以如單一原子、量子點一樣,放出單光子。

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在鑽石晶體結構中,原本都是碳原子,如果其中一個碳由氮(N)取代,這個氮的隔壁又有一個空缺(Vacuum),這樣的材料缺陷系統可以放出單光子。圖/Quantum Beam Sci.
  • 是否可以比較量子點與材料缺陷這兩種做法,各有什麼優缺點?

目前為止做得最好的單光子光源其實是量子點,可以產生幾乎完美的單光子,但是它必須在低溫環境下才能運作。而材料缺陷則大部分可以在室溫下運作。

我們還必須考慮單光子光源所放出的光子,是否處於我們需要的波段。舉例來說,在目前的光纖裡,光波長約在 1310~1550 奈米,因為這是損耗很低的波段。而前述的鑽石 NV center 產生的光,則固定是 600 多奈米的紅光,波長還不夠貼近光纖傳輸波段。

現在有許多團隊,都在嘗試從鑽石裡製造出其他缺陷,以符合光纖傳輸的波段,也有人開始嘗試其他材料,例如被稱為第三代半導體的碳化矽。

  • 單光子光源未來還會往哪個方向發展?理想的單光子光源是什麼樣子?

我們也希望單光子光源,可以用脈衝來激發,讓光子出現的時間差都是固定的。脈衝雷射激發是像機關槍一樣,一打開光子就以相同的間隔,源源不絕地出來。更理想的情況是,我們如果能把單光子光源做成電激發的元件,就可以在我想要有光子的時候,就打出一道脈衝,產生一個光子。

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以目前的半導體製程,有成功做到過打一道脈衝、換一個光子的過程,但必須在低溫操作,效率也不理想。

  • 您的研究團隊最近嘗試以二維材料製造單光子光源,這部分目前有什麼進展?

我們最近使用的二維材料是六方晶格的氮化硼(hBN),用來做室溫的單光子光源。氮化硼蠻有趣的,就像二維的鑽石,寬能隙又是絕緣體,不太和其他東西起作用,裡面的缺陷也會形成單光子。

我們幾年前跟台積電合作,用化學氣相沉積(CVD)做出晶圓尺寸的大面積氮化硼,並發表在《自然》Nature)期刊上。我們未來可以透過這技術進行「缺陷工程」,也就是控制在哪裡製造出缺陷,產生單光子輻射的陣列。例如用聚焦離子束打掉其中某些位置的原子.再透過熱處理修復。先破壞再建設,才能產生缺陷。這個技術以目前來說,還是很有挑戰性。

  • 二維材料最近似乎有愈來愈火紅的趨勢?

在過往的傳統半導體研究中,往往將二維材料當成垃圾,不過現在,垃圾變成黃金了。以前這種材料是被用來當固態潤滑劑,因為層與層之間很容易剝落、滑動,根本沒甚麼用處。

但自從石墨烯出現之後,大家才意識到二維材料的好處,而且何必一定要用石墨烯?有一大堆半導體材料都是這樣一層一層的,把它們拿來做電子元件不是更好?所以現在很多人都在做二維半導體材料。

張文豪向研之有物團隊介紹單光子光源的測量方式。圖/研之有物

抓到了!真的是單一光子!

儘管有了製造單光子光源的方法,但該如何確認放射出來的是單一光子呢?

張文豪解釋,單光子的定義是同一時間點只放出一個光子,「所以是同一時間只有一顆,並不是真的只放出一顆。」換句話說,光子其實是像機關槍一樣,源源不絕地一直從光源放射出來的,而且每個光子之間的時間間隔也並不平均。

測量是否為單光子的方法稱為「HBT 實驗裝置」,包含一個分光鏡、兩個偵測器(D1 與 D2),以及一個可以決定要啟動計時或停止計時的計時器。

HBT 實驗裝置示意圖。圖/研之有物

當每一個光子遇到分光鏡時,會隨機前往 D1 或 D2,如果 D1 偵測到光子,計時器就會開始計時;如果 D2 偵測到光子,則會停止計時。因為光子是隨機前往 D1 或 D2,所以每一次停止計時,可能測到是兩個、三個、或四個……不等的光子出發間隔時間。

如果有兩個光子是同時出發,且它們正好分別通過 D1、D2,那麼就會測到一組間隔時間為 0 的數據。所以相反的,如果測量出的結果中,完全沒有間隔時間為0的數據,就可以確認光源是單光子光源

HBT 裝置的量測數據示意圖,可以確認光源是否為單光子光源。如果兩光子的時間差(延遲時間)為 0 秒,符合計數也是 0,則可以確認該光源為單光子光源。圖/研之有物(資料來源|科儀新知

張文豪指出,HBT 實驗裝置要準確,也考驗兩個偵測器的敏銳度。「目前效率最好的是用超導體來做偵測器,不過這樣的話,偵測器也得在低溫環境。」

  • 除了單光子光源與偵測器外,光量子計算還需要哪些相關的技術配合?

光量子計算還是必須在光量子晶片上運作,用的是積體光學,就像積體電路一樣,只是用波導取代電線、光子取代電子。這其中的製程必須讓光能在晶片裡前進、轉彎,做一些操作。中央大學陳彥宏特聘教授的團隊,是量子國家隊光量子研究團隊之一,主要工作就是開發光量子晶片

陳彥宏團隊所研發之光量子位元晶片。圖/陳彥宏
陳彥宏團隊預計於 2023 年開發能執行容錯式秀爾演算法之光學量子運算晶片。圖/陳彥宏
  • 臺灣發展量子科技的前瞻性或潛力如何?我們有什麼優勢?

臺灣早期生產很多電腦,當時我們做的事情主要是零組件的開發、組裝,所以我常笑稱是一種「偽高科技組裝業」。可是臺灣現在已經不一樣了,臺灣從這個組裝業,慢慢掌握關鍵的製程,當產業供應鏈整個建構起來之後,現在變成了全世界很重要的製造中心。

如果未來量子電腦量產,臺灣絕不可能缺席,也不能缺席。為此,我們必須知道,從零到有把一臺量子電腦建構起來需要多少技術。這是一個龐大的系統工程,需要各種人才與技術。我們要知道每個技術細節,才會知道國內各研究單位、法人,以致於工研院、經濟部和產業界,各自可以扮演什麼角色。

  • 成立國家隊來發展量子科技,是為了整合資源的考量?

因為我們的人力與資源都有限,所以必須透過整合的方式,各團隊做自己擅長的部分,再用系統整合把大系統建構起來。最重要的目的,是在每一個環節把技術與人才建立起來。

我們推動小組還找了中研院天文所的王明杰研究員來當總工程師,他負責連結各團隊的不同技術,橫向整合。為什麼找上天文背景的王明杰博士?這很有趣。

第一個原因在於王明杰是超導材料與偵測器的專家,因為天文觀測裡要偵測很微弱的訊號,他們必須要發展非常靈敏的偵測器。

第二個原因是,天文研究都是國際性的大團隊,例如蓋一座大型天文台,各國不同的單位個別負責開發部分技術且為了同一個目標努力,需要有總工程師來連結各團隊所開發的技術,透過系統工程變成最後的系統。做天文觀測的人比較有這樣跨團隊組大系統的經驗,所以我們就請他來協助。

  • 量子科技現在還沒有發展出產業,培養出的人才怎麼辦?

量子科技並不是全新的技術,而是範圍很廣的跨領域技術,所以你學會了這些技術,仍然可以在現有的科技產業發揮所長。等到有一天公司需要投入量子科技的時候,儘管公司老闆可能沒有量子的知識和概念,但公司裡有這些背景知識的人才就可以立即參與。

所以人才是最重要的,我們必須現在就開始把量子的 DNA 植入產業界。如果等需求出現才開始培育人才,就來不及了。

  • 中研院預計在南部院區建立量子研發基地,可否談談這部分的規劃?

我們預計在 2023 年下半年進駐南部院區的研究大樓 II,建置一些製程與量測的核心設施。此外,還會蓋一棟「量子實驗大樓」,主要做一些精密的量測,也包含一部分精密製程。

未來,這個量子研發基地將會是一個提供國內產學研單位進行量子科技研究的基地,所建置的核心設施也將開放給其他研究團隊進駐使用進行研發,有點類似國家同步輻射中心,透過建置一個大型的量子科技實驗場域,讓需要的國內外團隊共同使用。

這也是希望能橫向、縱向整合資源,不要重複投資。畢竟我們資源有限,應該集合大家的力量,攜手共同邁向臺灣量子新世代。

延伸閱讀

  1. 量子系統推動小組網站
  2. 工程科技推展中心(2023)。〈【多功能量子通訊網路】 褚志崧副教授|國立清華大學物理學系〉,YouTube。
  3. Lodahl P., Ludwig A., & Warburton R.(2022)。〈決定性的單光子源〉(張鳳吟翻譯), 《物理雙月刊》。
  4. 王志洋、陳啟東(2021)。〈量子世代產學佈局〉,《科學人》。
  5. 科技魅癮(2022)。〈量子新時代|全國70位科學家的超強大腦,如何一起推動量子計畫〉,YouTube。
  6. 陳彥宏(2021)。〈量子光電晶片將延續臺灣半導體晶片的榮耀〉,《臺灣研究亮點》。
  7. 郭雅欣(2019)。〈量子電腦到底有多霸氣?即將引爆終極密碼戰?!〉,《研之有物》。
  8. 林婷嫻(2017)。〈量子電子元件 hen 夯,但如何掌握像情人心難測的量子位元?〉,《研之有物》。
  9. 張文豪、徐子民(2006)。〈半導體量子光學〉, 《物理雙月刊》。
  10. 張文豪、徐子民(2004)。〈單量子點光譜技術的介紹與應用〉,《科儀新知》。
  11. Gillis, A. S. (2022, January 28). quantum cryptography. TechTarget.
  12. Shaik, A. B. D. a. J. W. I., & Palla, P. (2021). Optical quantum technologies with hexagonal boron nitride single photon sourcesScientific Reports, 11(1).
  13. Ishii, S., Saiki, S., Onoda, S., Masuyama, Y., Abe, H., & Ohshima, T. (2021). Ensemble Negatively-Charged Nitrogen-Vacancy Centers in Type-Ib Diamond Created by High Fluence Electron Beam IrradiationQuantum Beam Science, 6(1), 2.
  14. Chen, T. A., Chuu, C. P., Tseng, C. C., … Chang, W. H., & Li, L. J. (2020). Wafer-scale single-crystal hexagonal boron nitride monolayers on Cu (111)Nature, 579(7798), 219–223.
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研之有物│中央研究院_96
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