今日香港考試准用計算機，明日台灣呢？

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？

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。

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。

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。

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。

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。

本文由 百濟神州（BeiGene） 委託，泛科學企劃執行。

「小朋友們，當爸媽或家人生病時，你的心情如何？擔心、焦慮、想辦法讓他們好過一點？」

「希望家人最好不要生病」、「吃藥看醫生才能快快恢復」這是來自孩子們最純真直接的回應。

全球前 50 大生技製藥大廠百濟神州（BeiGene）副總裁暨細胞治療研發中心負責人黃士銘，日前率近 20 位企業志工和家人們一起至坪林國小，在泛科學協助下，舉辦「Kids Science 小小生物科學營」。課堂上，身為生物科學家的他，首次擔綱一日業師，在活動一開始即拋出了上述這個情境題，引導孩子們思考生物科學，其實是一門很有意義的學問，不僅貼近日常所需、更能真實地幫助許多人。

黃士銘表示：「BeiGene 是一家以科學為本，專注於創新癌症藥物研發，我們與全球各地科學家及醫師緊密合作，以病人至上的精神，致力為全世界患者帶來可近性及可負擔的高品質藥物。」身為一位科學家，我們相信『改變治癒未來』（Change is the Cure）。先進科學改變人類生活，而醫療科學為人類帶來治癒的力量。因此，在台灣，我們與這塊土地最頂尖的科學人才共同努力，專注於細胞治療在癌症醫學領域的研發，也因為台灣向來是生技產業人才搖籃，這更讓我們重視到，科學教育從小紮根的重要性，讓小朋友從早期開始培養科學核心素養，豐富孩子們的知識和視野，希望啟發他們對於生物科學的興趣。我們很期待透過 BeiGene 「Kids Science 小小生物科學營」，拋磚引玉，讓更多人重視科學教育的環境，挹注多元教學資源，發揮共好影響力，為台灣培育更多優秀的生技人才。

有鑑於此，秉持以科學為本、病人至上的 BeiGene，致力「培育未來生物科學人才」作為品牌 ESG 關鍵的當責行動。於是乎，當觀察到台灣偏鄉科學教育資源與師資分配不均的狀況，便與全台最大科學知識社群–「泛科學」聯手，舉辦「 Kids Science 小小生物科學營」，BeiGene 企業志工於假日帶著家人們，前進新北市坪林國小進行教學活動，為偏鄉學童種下科學教育種子，希望藉由對生物科學的體驗與實驗過程，提升偏鄉學童對於環境觀察的敏感度與科學的認識基礎。

生物科學樂趣多! 啟發學童對科學創造的想像

小學階段是最適合紮根科學教育的時期，但偏遠地區的學校由於交通不便與地理人文環境特殊，造成師資、設備、資源不足等情況。若能引進多元的教學資源，開啟偏鄉孩子們不一樣的視野，便能在科學的啟蒙之路上，燃起他們的學習熱情、啟發學童對科學創造的想像！

坪林國小校長王珮君表示：「科學是生活，舉凡食、衣、住、行都隱含著許多科學知識與原理，非常感謝 BeiGene，看見偏鄉孩子在專科教育學習資源的需求，舉辦『Kids Science 小小生物科學營』， 讓孩子從做中學習。藉由豐富有趣的課程，帶領學校的孩子不僅能從學習中獲得更多與醫學相關的科學知識，同時也能啟發他們擁有像『科學家』一樣地邏輯思考，像『醫師』一樣地解決問題！永保好奇心，持續不斷的創新與探索。」

親子共學玩實驗夯: 水果DNA切切樂、手作仿生鳥

身為全台最大科學知識社群——「泛科學」知識長鄭國威表示，孩子學習科學的目的，除了開拓視野外，更重要的是培養科學思辨的精神與態度！在這個以社群力=影響力的時代，泛科學希望與各界企業一起『加乘、共好』，透過彼此的核心職能，讓下一代對科學產生興趣。

這次的課程，特別邀請到曾獲教育部殊榮的生物老師──簡志祥「阿簡老師」，帶領學童認識水果 DNA，利用簡單易操作的實驗一窺 DNA 的樣貌，了解生命細胞最初始的模樣；也體驗了解仿生科技在醫療上及生活上的應用，透過「仿生鳥手作實驗」引導學童思考有哪些生活用品是從仿生科學啟發而得來，並從手作實驗中獲得更多靈感與樂趣，最後的「仿生鳥飛行競賽」，讓學童用自己親手做的成品互相比拚，進一步體驗空氣動力原理，邊玩邊學、小朋友無一不感到新奇與有趣。

本次課程活動獲得很好的迴響，孩子們邊玩邊學，不僅輕鬆提升專注力，同時對生物科學產生興趣。各位家長們，想要帶著孩子自己動手體驗 Kids Science 科學課程嗎? 以下分享 DIY 簡單步驟跟著做，親子共學樂趣多： 

【水果切切樂】

藉此實驗了解細胞各構造的特性，如清潔劑可溶解細胞膜的脂質，破壞細胞膜。 高濃度食鹽水可使 DNA 溶解在溶液中，DNA 不溶於酒精中，所以使用酒精萃取出 DNA。由於實驗材料簡單，且方法易操作，對生物科技有興趣的學習者也可以自行操作實驗不同水果的差異性。

材料：
萃取液（食鹽、水、清潔劑）冰棒棍、牙籤、離心管、塑膠杯、塑膠袋、紗布、竹籤、切塊水果、酒精

方法：
準備萃取液，內容是 1/3 杯的水、1/2 匙鹽和 1 匙的清潔劑混合。把切塊水果放進塑膠杯裡，倒進萃取液，能夠蓋住水果的量就夠了，用冰棒棍把水果攪爛。
把紗布鋪在另一個塑膠杯上，將攪爛的水果倒入紗布上，收集濾下的液體。
把酒精倒入液體中，過幾分鐘就會在上層的酒精裡看到白色的絲狀物。恭喜你，你拿到了這些水果的 DNA 了。拿牙籤輕輕攪拌這些 DNA，把它們收集到離心管裡頭吧。

原理：
為什麼這些材料就可以萃取出 DNA 呢？當你把水果攪爛和萃取液混合時，會破壞水果的細胞，清潔劑可以破壞水果細胞的細胞膜和核膜，而加入鹽則可以讓 DNA 溶解在萃取液內。最後加入的冰酒精，則會讓 DNA 從溶解的狀態被析出來，就成了你看到的白色絲狀物。

【手作仿生鳥】

結構仿生設計學主要研究生物體和自然界物質存在的內部結構原理在設計中的應用問題，適用與產品設計和建築設計。研究最多的是植物的莖、葉以及動物形體、肌肉、骨骼的結構。本課程從生活中引導小朋友去思考有哪些生活用品是從「仿生科學」啟發得來的。並從手作實驗中得到更多靈感與啟發！

仿生學小知識：

仿生學是模仿生物特殊本領的科學，目的在了解生物的結構和功能原理，來研發新的機械和技術，將大自然的智慧轉化成人類可操控的技術，可以說是「向大自然學習」的一門科學，例如達文西的「撲翼機手稿」就是藉由研究鳥類與昆蟲飛行所設計出來的。

像是出淤泥而不染的「蓮花葉」，除了表面上有蠟等物質可以防水，也發現葉面上有奈米等級的絨毛結構，這些結構使得水滴不易被戳破，讓水滴能在葉面上自由滾動，正是屬於仿生學的範疇，而這個發現也運用在現在的防水塗料上。此外，模仿蜘蛛絲做成的線非常強韌，可以拿來做防彈衣，這些都屬於仿生學的研究成果。

方法：
確認你的配件，包括翅膀、尾巴、木條、三條橡皮筋，將翅膀配件靠內的桿子套上右邊鐵鉤，靠外的桿子套上左邊鐵鉤，將木條插入翅膀的孔，另一端插入尾巴的孔，接著將橡皮筋套進兩端的掛勾，最後一步驟只要扭轉橡皮筋就可以飛行了。

數學絕對是科學上非常重要的工具，當科學面對重大疑難雜症時，往往確實是由數學來解決問題。歷史上有很多例子，可以用來說明科學家遇到科學問題時，發明數學工具來解決問題。

例如我們知道，一個物體如果維持每秒鐘 30 公尺的速度前進，那麼 100 秒之後，它會前進 3,000 公尺。但如果這個物體的速度是會穩定減少，平均每一秒鐘還會穩定的減少每秒 10 公尺，也就是一秒後它的速度就變成 20m/s、兩秒之後變成 10m/s，以此類推。

這樣的話，我們知道它 3 秒之後會停下來，但你能知道它前進的距離總共有多少嗎？

為了解決這個問題，牛頓發明「微積分」這個數學工具。

先有雞還是先有蛋？先有科學還是先有數學？

物理學家為了要處理像是「位移」、「力」、「速度」這類問題，也發明「向量」這樣的數學工具來幫助物理學家解決問題。

這樣看起來，好像應該說「科學是數學之母」才對？

也有的時候，科學家為了精準簡潔的描述自然界規則，運用數學語言來作為描述的方式。

例如我們知道，兩物體之間永遠存在一個互相吸引的萬有引力，萬有引力的大小和兩物體的質量大小乘積成正比，和兩物體的距離平方成反比。這麼一大段落落長的描述，如果用數學符號來表達，就會變成：

\(F = G \frac{m_{1}m_{2}}{r^{2}}\)

這樣的表達既簡潔又精準，當然是很不錯的描述方式，很受科學人的喜愛。數學是科學中重要的工具，可以幫助科學解決很多問題。在學習科學或發展科學的某些階段，數學更是不可或缺的工具，沒有數學便跨越不了某些門檻。

即便如此，數學好像也說不上是「科學之母」。

科學始於好奇心，每個孩子都是天生的科學家

我總覺得「科學之母」的意思，應該是科學的產生者。那什麼才是科學的產生者？我認為是「觀察」。

觀察與好奇心促成科學的動機觀察的意思不是觀看，不是說用眼睛看到些什麼東西就是觀察。觀察是會產生疑問的，會勾起你的好奇心。看到一些「怪怪的」、好像跟平常不一樣的事物時，你可能會留心的多看個兩眼，腦袋裡想著：「昨天跟今天看到的太陽升起位置，是不是有什麼不一樣？」、「上次釀的酒跟這一次喝起來好像不一樣？」

察覺這些差異之後，你的好奇心可能就會接手，開始思考如何解釋這樣的差異。

如果你認真一點的話，可能會對現象進行系統化的描述記錄，將那些雜亂的事物根據相同處、相異處進行比較並分類，有時候或許能從中發現一些現象的規律性或者因果性。

例如我們的祖先們長期觀看著海，把每天看的海水高度做了記錄，時間一長就慢慢看出一些規律性，發現每天海水高度變化跟月亮的位置有關：滿月的那天，當潮水最高的時候就是在正中午。

進而發現不同的月相和漲退潮的時間，有某種特定的關係。等蒐集到夠多的事實之後，很可能就可以發現規律性。

察覺這些規律性、相同處、相異處之後，有些人會興起強烈的好奇心，想要一探這些現象背後的完整詳細規則，或是探詢造成這些規則背後的原因，這時，科學的動機就出現了。

自文明誕生以來，有很長一段時間，人們只是用神話的方式來解釋自然，直到近幾百年才發展出有系統的科學方法，以極端嚴謹的態度來檢視心中的答案。雖然科學是近代產物，但產生科學的動機卻是每個人都天生具備的，那就是「觀察」和「好奇心」。

每個孩子天生就很愛問問題，這也是為什麼許多科學家會說：「每個孩子都是天生的科學家」，不過這句話的下一句是：「直到 XX 歲為止」。

為什麼等到我們長大以後，就不會提問了呢？

身為老師的我們都曾發現，學生到了國中之後，似乎就變得很不愛問問題。

我相信造成這個結果的原因有很多，例如我們的科學教材教法往往是去情境化、去脈絡化的；我們的考題有許多是脫離現實的；我們的課程也經常不是以學生親身觀察而產生的探究問題作為出發點。

此外，大量意義不明的數學練習，恐怕也是重要的原因之一。

既然數學題目難以避免，我們該怎麼讓這些練習對學生而言，變得更有意義、更具有科學教育的價值呢？

數學在科學課堂上扮演的角色在科學的學習中，數學作為一種工具，其存在是必要且適當的。但我們應該注意的是：工具的使用必有其特定的使用動機和情境。

如何讓學生知道自己在幹嘛？以燃素說、氧化說為例

例如拉瓦節（Antoine Lavoisier）並不是一開始就在實驗室裡面計算數學，因而發現燃燒的本質是物質的氧化。他是因為用定性分析方式無法成功反駁當時主流的「燃素說」，才進一步使用量化實驗、測量精準的數據，得到足以駁倒「燃素說」的證據。

讓學生具備動機和情境後，在適當的難度下，引進必要的數學就會覺得理所當然。如果學生知道自己正在處理什麼問題，也知道為什麼需要運用這個工具的情況下，那麼在自然科裡面學習數學是沒有問題的。

於是我在燃燒的單元中，設計了讓學生閱讀並比較史塔爾（Georg Ernst Stahl）提出的「燃素說」和拉瓦節的「氧化說」。兩個學說都是在描述學生熟悉的燃燒現象，但卻有著截然不同的解釋方式。

史塔爾的「燃素說」認為：

因為物質燃燒時，物質裡面的可燃成分（燃素），會從物質內逃逸出來與空氣結合，從而發光發熱，這就是火。並且因為燃素從物質中釋放出來，重量就變輕了，釋放燃素的物質只剩下灰。

但有些物質，像是金屬，它們內部的空隙就像容器一樣，裡面充滿燃素。燃素與金屬分離後，空出來的容器會被空氣填滿，容器裝著比燃素重的空氣，重量自然就變重了。

而且物質在加熱時，燃素並不能自動分解出來，必須藉空氣來吸收燃素，才能將燃素釋放出來，而且愈好的空氣吸收燃素的效果愈好。

拉瓦節的「氧化說」則主張：

物質燃燒時，不是物質內部的燃素釋放出來，而是物質和空氣中的氧氣結合。結合的過程中會發光發熱。

結合之後的物質，稱為氧化物。氧化物如果是氣體或者變成飛灰離開了物體本身，質量就會變小，就像紙張燃燒一樣。

如果物質氧化物和物質是依附在一起的，那就會看到質量變重，就像金屬的燃燒一樣。

你會發現兩者的說法看起來都能完美的解釋燃燒現象，如果只是觀察各種燃燒的現象，並不足以判別誰說的才對。這時，用量化方式精準測量燃燒過程中各階段物質的質量變化，就變成判別是非的關鍵所在。

量化實驗當然是比定性實驗更加困難，但當我們對於某個事件產生興趣時，這些困難就會瞬間變成讓人興致高昂、願意去挑戰和克服的關卡。

數學的工具也是如此，所以我在運動學的課程設計中，利用交通安全宣導影片中常出現的「未維持安全距離」下產生的交通事故，讓學生感受到危險，並且產生「安全距離是怎麼計算出來的」的疑惑，激發學生解決問題的動機。

動機產生之後，我們就可以把待解問題轉化為比較嚴謹的文字敘述：「車子以 108km/hr 的速度行駛在高速公路上，因前方發生事故而緊急煞車。若車子能在 X 秒鐘之內停下來，我們的煞車距離有多少？」這就變成大家熟悉的考題了。

此時不管是使用公式也好，圖形法也好，學習起來就會比較自然而然、順理成章。在課堂上營造動機與脈絡，讓解決這些數學問題變成必要的過程，就是我們在課程設計上可以努力的方向。

——本文摘自《教出科學探究力》，2021 年 8 月，親子天下 ，未經同意請勿轉載。