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以顯微鏡堆積木─奈米磁鐵

NanoScience
・2012/06/19 ・848字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 553 ・八年級

德國科學家最近成功利用自旋極化掃描穿隧式顯微鏡(spin-polarized scanning tunneling microscope)將原子逐個組裝成奈米磁鐵(nanomagnet)。這種方法可以製作出不同形狀的奈米磁鐵,且其特性可以直接加以量測並與電腦模擬結果相比較。至於實驗量測與模擬不符之處,研究人員認為是因為有新的基本原子級磁性效應存在所致。

圖片來源:nanotechweb.org

漢堡大學的 Jens Wiebe 表示,他們使用的技術與兒童玩的樂高積木很類似,扮演積木的鐵原子位於乾淨的銅表面上,它們像羅盤指針一樣不是朝上就是朝下。因此研究人員能以不同的形式將它們組成奈米磁鐵。

這個由 Roland Wiesendanger 領導的研究團隊利用自旋極化掃描穿隧式顯微鏡的探針針尖來建造奈米磁鐵。當針尖離銅基板上的鐵原子還有一段距離時,它能感測並定出原子的位置,待針尖靠近原子後,它能「拾起」原子並將它移至他處。依此方式,研究人員像堆樂高積木般組裝出如鍊狀、三瓣或花朵等不同形狀的結構。由於探針尖鍍上了磁性材料,該團隊還能測量磁鐵中個別鐵原子的磁化曲線。

該團隊直接比較測量結果與易辛模型(Ising model)的計算所得,發現鍊狀結構磁化曲線的測量結果與理論預測在高外加磁場下非常吻合,但在低磁場下兩者卻有差異,斜率甚至符號相反。 Wiebe 推測,在低磁場下,可能多出一個與外加磁場反方向的額外磁場,或是出現一個與鐵原子鍊呈反鐵磁性耦合的磁矩。事實上,若在易辛模型中加上適當的反向磁場或磁矩,該團隊便能模擬出實驗的結果,不過他們並不清楚反向磁場或磁矩的起源,不過發現它們似乎只影響鍊狀結構,對三瓣或花朵等更緊密的結構沒有作用。

該團隊指出,相同的技術如果應用在更多原子組成的磁鐵上,將可用來研究更重要的基礎磁性問題,例如特定固態材料的自旋玻璃(spin glass)或自旋液體(spin liquid)等磁性狀態。目前該團隊正在利用週期表上的元素組合試圖製造出新穎的奈米硬磁鐵。詳見 Nature Physics | doi:10.1038/nphys2299。

譯者:蔡雅芝(逢甲大學光電學系)
責任編輯:蔡雅芝
原文網址:Building novel nanomagnets atom by atom—nanotechweb.org [2012-05-04]

本文來自 NanoScience 奈米科學網 [2012-05-07]

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NanoScience
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主要任務是將歐美日等國的尖端奈米科學研究成果以中文轉譯即時傳遞給國人,以協助國內研發界掌握最新的奈米科技脈動,同時也有系統地收錄奈米科技相關活動、參考文獻及研究單位、相關網站的連結,提供產學界一個方便的知識交流窗口。網站主持人為蔡雅芝教授。

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什麼是「近場光學顯微術」?為何它是開啟奈米世界大門的關鍵?
科技大觀園_96
・2021/12/01 ・2708字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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近場光學顯微術可突破繞射極限,使我們看到奈米等級的光學影像。圖/孔瀞慧繪

傳統光學顯微技術發展幾個世紀之後,從 20 世紀後半⾄今,突破光學繞射極限成為顯微技術的重要課題。繞射極限是光波所能聚焦的最⼩尺寸(約為光波長的⼀半,以可⾒光來說約 200-350 nm),仍遠⼤於分⼦和奈米材料。顯微鏡的發明是進入微觀世界的⾥程碑,⽽突破光學繞射極限後就能開啟進入奈米世界的可能性。 

突破光學繞射極限的超⾼解析度顯微技術⼤致上可以分為遠場(far field)與近場(near field)兩⼤類,這兩者的差別在於是否利⽤探針在靠近樣品距離遠⼩於⼀個波長(約數⼗奈米)處進⾏量測,若有則為近場,其餘則屬於遠場。⽽遠場顯微技術若要達到奈米級別的超⾼解析度, 需要以特殊螢光標定加上大量電腦計算來輔助。 

中央研究院應⽤科學研究中⼼研究員陳祺,專攻近場光學顯微術,屬於探針掃描顯微術(Scanning probe microscopy, SPM)中與光學相結合的分⽀。 

探針掃描顯微術,家族成員眾多 

探針掃描顯微術泛指使⽤探針來掃描樣品的顯微技術,依照原理的差別再細分成多個類別。在整個探針掃描顯微術家族中,最早的成員為 1981 年問世的掃描穿隧顯微鏡(Scanning tunneling microscope, STM),其主要機制是偵測探針與待測物表⾯間的量⼦穿隧電流(註1),作為回饋訊號來控制針尖與待測物的距離,⽽得到待測物表⾯次原⼦級別的高低起伏。1986 年發明的原⼦⼒顯微鏡(Atomic force microscope, AFM)則是⽬前最廣為應⽤的探針顯微技術,其以針尖接觸(contact)或輕敲(tapping)物體,藉由偵測針尖和物體表⾯間之凡得瓦⼒,得知物體表⾯的高低起伏。 

探針掃描顯微術(SPM)家族。僅示意,並未包含所有的成員。圖/劉馨香製圖,資料來源:陳祺

在探針掃描顯微術中,控制針尖與物體的相對距離是重要的課題,STM 可控制距離在一奈米以下,AFM 則可在一奈米到數十奈米間變化。此外,要在奈米世界「移動」並不是⼀件簡單的事。因為⼀般以機械⽅式的「移動」,其尺度都會在微米級別以上,這就像是我們沒有辦法要求⼤象邁出螞蟻的⼀⼩步⼀樣。所幸 1880 年居禮兄弟發現壓電材料會因為外加電場,⽽導致晶格長度的伸長或者收縮,即可造成奈米級別的「移動」。⽬前所有的探針顯微術都是以壓電效應達成對針尖或樣品「移動」的控制。 

近場光學顯微術,探針加上光 

依 STM/AFM 控制針尖的技術基礎,外加光源於針尖上,即為近場光學顯微術(Scanning near-field optical microscopy, SNOM),依照光源形式的不同可區分為兩⼤類: 

1. 微孔式近場光學顯微術(aperture SNOM,簡稱 a-SNOM) 
2. 散射式近場光學顯微術(scattering SNOM,簡稱 s-SNOM)

a-SNOM 是利用透明的 AFM 針尖,先鍍上⼀層⾦屬薄膜,並打上⼩洞,讓光從⼤約 50-100nm 左右的⼩洞穿出,得到⼩於光學繞射極限的光訊號。s-SNOM 則是外加雷射光源聚焦於針尖上,並量測散射後的光訊號。其中,針尖增強拉曼散射光譜顯微鏡(Tip-enhanced Raman spectroscopy, TERS)是屬於 s-SNOM 的⼀種特殊近場光學模式,主要為量測拉曼散射光譜,即可識別分⼦鍵結的種類。由於拉曼訊號相對微弱,透過探針鍍上⾦屬薄膜,即可利⽤針尖端局域電場的放⼤效果,來增強待測物的拉曼訊號,並利用針尖的移動來得到奈米級空間解析度的拉曼成像。 

(左)a-SNOM 所使用的探針,針尖上有微孔。(中)a-SNOM 原理:綠色箭頭表示光從上方經微孔射入樣品,紅色箭頭表示偵測器接收光訊號。(右)s-SNOM 原理:綠色箭頭表示光聚焦於針尖,紅色箭頭表示偵測器接收光訊號。光源與偵測器的位置可互換。圖/陳祺提供

陳祺的研究歷程與觀點

在陳祺就讀博士期間,其研究領域主要為結合低溫超高真空 STM 的單分子光學量測,需要極度精進探針掃描顯微鏡的穩定與解析度。畢業之後將⽬標轉向室溫室壓下的探針掃描顯微術與光學的結合,用以量測更多種類和不導電樣品。

陳祺在博⼠後期間的⼯作以 TERS 為主,曾發表解析度⾼達 2 奈米以下的成果,維基百科的 TERS 條⽬,也引⽤了陳祺當時發表在《Nature Communication》的論⽂。回國進入中研院之後,陳祺也開始 a-SNOM 的研究。

無論 TERS 或 a-SNOM,兩者的實驗設計都是建構在 AFM 上,因此陳祺會⾃⾏架設更精準的 AFM,以達成近場光學顯微術更佳的穩定性。 

近場光學實驗操作上的困難除了針尖的製作之外,穩定的 AFM 掃描其實也相當不容易,是維持針尖品質的關鍵。傳統上 a-SNOM 都是以接觸式(contact mode)的 AFM 方式掃描,以防止輕敲式(tapping mode)起伏會干擾光訊號,代價就是 AFM 的解析度極差。陳祺將⾃架的近場光學實驗放進⼿套箱裡,能讓針尖在輕敲式時維持極⼩的振幅(在⼀個奈米以下),可以大幅提高 AFM 的形貌解析度,也幾乎不損傷針尖。由於陳祺有非常豐富⾃架儀器的經驗,才能很⼤程度突破⼀般商⽤儀器的限制。 

不同的顯微影像比較。樣品為一種二維材料異質結構,左為結構示意圖,中為 AFM 影像,右為 a-SNOM 影像。AFM 能精確解析樣品的高低起伏,然而 a-SNOM 可解析樣品的光學特性。圖/陳祺提供

⼀般認為 TERS 有較佳的解析度,但由於 TERS 在散射訊號影像上有很大程度的不確定性,經常導致假訊號或假解析度的發生。近年來陳祺反⽽把研究的主軸轉向 a-SNOM,因為她更看重是否能由 AFM 得到的材料結構和高度,來解釋近場光學所量測的結果,以期研究材料背後的物理或化學現象。

另外,陳祺近期最重要的突破是在⽔中完成 a-SNOM 的量測,將針尖與光學元件整合在自製的腔體(cage system)之中,得以在保持生物樣品的活性之下得到超高解析度的影像,這將是開啟利用近場光學研究⽣物課題的重要⾥程碑。

最後,⾝為擁有兩個孩⼦的女性研究員,「如何兼顧⼯作與家庭」或許是⼀般新聞媒體會問的問題。然⽽,陳祺分享⾃⼰的⼼得:「是不可能兼顧的啦!先集中精神做好⼀件事,等另⼀件要爆掉的時候再去救它。」可能坦承⾃⼰沒有辦法做好每件事, 反⽽讓陳祺在實驗上永遠能找到促使⾃⼰改進的動⼒。 

註解

註 1:量⼦穿隧電流:在量⼦世界中,物質同時具有波動和粒⼦的特性。因具有波動的性質, 當電⼦撞擊⼀層很薄的障礙物時,有不為零的機率穿過去,並產⽣穿隧電流(tunneling current )。穿隧電流與障礙物厚度成指數函數遞減,因此可藉由量測穿隧電流強度計算出待測物表⾯極微⼩的⾼低起伏。

科技大觀園_96
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蝴蝶翅膀的夢幻色澤,藏著奈米科技
李鍾旻_96
・2021/07/27 ・2930字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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在昆蟲中,色彩鮮豔又顯眼的物種往往使人著迷,尤其蝴蝶向來是相當受人喜愛的一群昆蟲。一般人見到蝴蝶時,目光肯定會集中在牠們那五彩繽紛的翅膀。

蝴蝶的翅膀表面布滿著無數的鱗片,每一個鱗片的長度大約介於 50 ~ 200 微米之間(1 微米 = 0.001 公釐)。不同種類的蝴蝶,鱗片的形態也會有所差異,但共通點都是非常容易脫落。

包含蝴蝶的鱗片在內,昆蟲身上呈現出來的許多色彩,是由天然色素所構成,這稱作「色素色」(化學色)。但也有部分顏色屬於「構造色」(或稱物理色、結構色),與體表結構的物理性質有關。

結構賦予的幻紫湛藍

構造色通常由週期性排列的微觀結構,如小突起、溝紋等所造就,這些結構使光線產生反射、干涉、繞射等光學效應,而讓特定波長的光被保留了下來。

構造色並常伴隨著「炫彩」特性,也就是色彩光澤會隨著人眼觀看角度的不同而出現些微變化,讓一隻昆蟲顯得璀璨閃耀。有些蝴蝶在展翅時,會呈現出類似金屬、珍珠般的光亮質感,這類特徵往往便是源自構造色。(註:炫彩(iridescent),也常被譯作「虹彩」、「虹光」)

中南美洲叢林中的「閃蝶」Morpho,又稱摩爾福蝶)是構造色相當有名的例子。閃蝶的藍色翅膀鮮豔奪目,質感宛如珠寶,因此身價不凡,是眾多標本收藏家愛不釋手的珍品。

英國自然史博物館收藏的黑框藍閃蝶(Morpho helenor peleides)標本。圖/作者提供

閃蝶翅膀呈現金屬藍色,然而翅表面的鱗片並沒有藍色色素,這樣的炫目的色澤歸功於鱗片上奈米尺度的多層次塔狀結構。當陽光映照在鱗片時,部分光線可能會直接被反射,有些光線則穿過部分結構,接著被底下層次的結構反射,而許多被反射的光線,彼此還可能發生交互作用。最終,鱗片的這些微結構反射了大部分藍色光芒,使得翅表面呈現明亮耀眼的金屬質感。

File:Morpho sulkowskyi wings.jpg
閃蝶鱗片上的細微塔狀結構,其表面又有層層的溝紋與脊起,這是讓光線產生變化的主要因素。圖/Wikipedia

鱗片已經非常的小,當然鱗片上的結構是我們人類肉眼所看不到的,所以科學家在探究這些構造時,必須透過電子顯微鏡才得以一窺究竟。

拿現實生活中的物品來比喻,可以說閃蝶體表閃耀的色澤,性質有些類似 CD 光碟片的表面。光碟片在光線下會顯現七彩的光澤,而這些光澤是光碟表面細小微妙的溝槽造成的繞射效果。

不同角度下的大藍閃蝶(Morpho didius)標本,可見其金屬光澤會隨光照的來源有所變化。圖/作者提供

在台灣的我們,除了博物館裡才有機會目睹的閃蝶,有沒有什麼活生生的例子可以讓我們一窺構造色呢?常見的「紫斑蝶」Euploea),就是很好的觀察對象。牠們不只是數量多,同時又是蝴蝶中動作較為緩慢的種類,因此要近距離接觸牠們並不難。

紫斑蝶前翅背面雖然呈黯淡的褐色,但當牠們展翅時,這些鱗片在陽光下會散發出藍色至藍紫色的絢麗色彩,並且顏色深淺隨著角度的變化非常明顯。這同樣是由於光線照射在鱗片表面的物理結構,反射了特定波長光線的緣故。

圓翅紫斑蝶(Euploea eunice hobsoni)一身深褐色的鱗片平時看似不起眼,但翅背面在陽光下會轉變為鮮豔的藍紫色。圖/作者提供

其實不只是成蟲,構造色也可見於紫斑蝶的蛹。紫斑蝶的蛹呈亮麗金黃色或銀色,炫彩極為明顯,這是由於表皮底下層層排列的薄膜狀結構,對光線產生了影響。

當然,構造色的形式還存在許多昆蟲身上,常見的幻蛺蝶Hypolimnas bolina kezia)、蘭嶼的珠光裳鳳蝶Troides magellanus)都是構造色相當鮮明的例子。一些金屬質感的吉丁蟲、金龜子、灰蝶,其華麗的外觀往往也與構造色脫不了關係。

圓翅紫斑蝶的翅在某些角度下光澤不明顯。圖/作者提供

這一身醒目的光澤,對昆蟲而言可能帶有警告的意味,因為許多鮮豔明亮的昆蟲有毒,或嚐起來具有特殊臭味。日光下閃爍的炫彩也可能具有隱蔽的效果,或者與同種個體間的辨識溝通有關。

圓翅紫斑蝶的蛹,外觀質感如同金屬。圖/作者提供

似白非白的鱗片

我們可能常常直覺的把構造色與光亮的炫彩畫上等號,事實上在大自然裡,生物的構造色不見得都是如此。

我們在平地或山區都有機會見到,分布範圍相當廣的白粉蝶Pieris rapae),身上其實也具有大片的構造色,但我們在牠身上看不到光輝的炫彩現象。

白粉蝶的翅膀,有局部的鱗片具有黑色色素而形成深色斑塊,其他區域則主要呈白色,或略帶有一點淡黃。以往,白粉蝶身上單純的色彩多被認為是色素色,可是那些佔大多數的白色鱗片,實際上並不含白色的色素

白粉蝶的翅膀上有著非炫彩性的構造色。圖/作者提供

在白粉蝶的鱗片表面,具有許多枝狀的構造,其表面又附著了許多如珠子般的微小顆粒,顆粒本身也沒有色素成分。其實是這些顆粒反射了特定光線,導致翅膀呈白色的構造色。

不管是構造色的成因,以及所造就的色彩樣貌,當中複雜且多樣的機制,往往遠超出人類所想像。許多的昆蟲的表皮,構造色與色素色這兩類色源,並時常同時存在,兩者交織構成體表展現的色彩

用「光」代替顏料上色

物理結構形成的色彩,理論上能夠長期存在,能夠避免褪色的問題,人類也從中得到了不少科技靈感,試圖在工業產品上重現這般的顏色。

日本的纖維公司便參考了閃蝶翅膀的原理,研發出不使用化學染料,而是運用物理特性顯現色彩,名為「藍默纖維」(Morphotex)的環保材質。這樣的材質有什麼優點呢?構造色呈色的纖維不需要經過傳統的化學染色製程,能減少產生的廢料,亦減低了水資源與能源的消耗。

陽光下的異紋紫斑蝶(Euploea mulciber barsine),藍紫色光澤明顯。圖/作者提供

如果掌握了不會褪色的顏色技術,還有機會應用在太陽能板塗料、印刷、化妝品、鈔票防偽等方面,幫助解決許多技術問題。

昆蟲及各式動物與生俱來的外貌,有時比人類費力研發出的技術都要精巧得多,甚至可能悄悄改變人類的生活。人類應該善待並維護自然資源,這顯然是很重要的一項理由。

參考資料

  1. What Gives the Morpho Butterfly Its Magnificent Blue?
  2. Vukusic, P., Sambles, J. R., Lawrence, C. R., and Wootton, R. J. (1999). Quantified interference and diffraction in single Morpho butterfly scales. Proceedings: Biological Sciences, The Royal Society of London 266, 1403–1411.
  3. Ragaei, M., H.S. Al-Kazafy, N.A.E. Farag, H.H. Elbehery, and A. Abd-El Rahman. (2017). Role of photonic crystals in cabbage white butterfly, Pieris rapae and queen butterfly, Danaus glippus coloration. Biosci. Res. 14: 542-547.
  4. 王仁敏(2017)。蝶翼的絢麗幻色。蝶季刊 2017 卷 2 期:19 – 19。

李鍾旻_96
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目前大部分時間都在觀察、寫作和拍照,曾獲金鼎獎兒童及少年圖書獎、世界華人科普新秀獎、人與自然科普寫作桂冠獎等。著作:《台灣常見室內節肢動物圖鑑》(2021)、《自然老師沒教的事6:都市昆蟲記》(2015)。

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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

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

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  • 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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