2019《Science》年度十大科學大事

量子點：從顯示技術到量子計算的革命

顯示面板的技術一直在進步，從最早的液晶顯示（LCD），到日益火熱的 MiniLED，再到正在被熱烈研發中的 MicroLED。隨著像素越來越小，螢幕畫質的進步讓人驚嘆不已。然而，現在有一項技術，它並非透過縮小像素來提升畫質，而是以更純淨的顏色帶來視覺上的革命—那就是「量子點技術」(Quantum Dot)。

量子點技術不僅為我們的螢幕帶來更好的顏色，甚至還有可能在量子電腦的未來發展中扮演重要角色。究竟這些小到幾奈米的半導體晶體是如何改變我們的世界？

什麼是量子點？

量子點是一種半導體奈米晶體，其直徑僅為幾奈米大小，也就是僅包含數百到數萬個原子。在這麼小的尺寸下，量子力學的奇妙特性開始影響顆粒的物理性質。這些量子點能夠吸收特定波長的光，並根據自身大小發射出頻寬極窄的單色光。這也意味著，透過控制量子點的大小，我們可以精確地調整它所發出的顏色。

這項技術在顯示領域中得到了應用，稱為量子點顯示技術（QLED）。QLED 螢幕通常使用藍光 LED 作為背光源，再經由塗有量子點的薄膜來產生鮮艷的紅光和綠光，以此混合出更飽和的色彩，並提供更廣的色域。此外，由於減少了傳統彩色濾光片的使用，QLED 螢幕也更為省電且光效更高。

MiniLED 與 MicroLED 的比較

要了解量子點技術的優勢，我們首先需要認識當前的顯示技術：MiniLED 與 MicroLED。

MiniLED 雖然名字聽起來和 MicroLED 相似，但它們的工作原理和應用有所不同。MiniLED 屬於有背光結構的面板，主要用於電腦和電視螢幕市場。它的顯色能力優秀，且通過調整背光區域的亮度，可以產生高對比度的畫面，甚至能呈現比傳統 LCD 更黑的黑色。

相比之下，MicroLED 則是無背光的技術，利用紅、綠、藍三種顏色的小燈泡直接發光，這些燈泡小到可以嵌入每個像素中。因此，MicroLED 的螢幕結構更薄，並能減少顏色劣化問題。然而，由於技術難度高，MicroLED 目前仍處於開發階段。

量子點的顯色技術有多特別？

傳統的顯示技術中，無論是 LCD、MiniLED 還是 OLED，它們的色彩顯示都需要依賴彩色濾光片來混合光源。而量子點技術則不然。量子點可以根據顆粒的大小發射出精確且純淨的單色光，其顏色純度遠超傳統濾光片。

量子點的神奇之處在於，同一種材料可以隨著顆粒尺寸的變化而發射出不同的顏色。這意味著我們只需要製造出不同大小的量子點，就可以得到紅、綠、藍三原色的高純度光源，進而混合出更加鮮豔的色彩。這種「大小決定顏色」的現象，正是量子力學中能階與顆粒大小之間微妙關係的體現。

量子力學與量子點的關聯

量子點的顏色之所以能隨顆粒大小改變，是因為量子點內部的電子受到能階的限制。在半導體材料中，電子的能量可以分佈在幾個不同的能階上，當電子從高能階回到低能階時，會以光的形式釋放出多餘的能量。而量子點的尺寸越小，電子能佔據的能階也越少，因此當電子釋放能量時，會放出更高能量的光子，這也導致了更短波長的光，比如藍光。

諾貝爾化學獎與量子點的製備技術

早在幾千年前，工匠們就已經能透過加入不同的金屬粉末來製作出不同顏色的玻璃，但他們並不知道背後的原理。直到 1980 年代，科學家們才發現，這些顏色變化與量子效應有關。2023 年的諾貝爾化學獎，正是授予了對量子點研究做出重要貢獻的三位科學家（分別為巴汶帝 ( Moungi G. Bawendi )、布魯斯 ( Louis E. Brus ) 和艾吉莫夫 ( Alexei I. Ekimov )），他們開發的技術讓量子點的製造變得更加容易且精確。

其中，蒙吉·巴文迪（Moungi Bawendi）開發的製程可以在溶液中精確控制量子點的大小，這使得量子點的性質與應用變得更加穩定且可預測，從而加速了量子點在顯示技術和其他領域的商業化應用。

量子點在量子電腦中的應用

量子點的應用並不僅限於顯示技術。由於它們能夠透過改變大小來調控各種物理特性，因此又被稱為「人工原子」。這使得量子點在量子電腦中也有巨大的潛力，特別是在儲存與處理量子位元資訊方面。

量子電腦與傳統電腦不同，其運算依賴量子位元，而量子位元可以同時處於多個狀態。要讓量子位元的狀態穩定且能長時間儲存，是量子電腦硬體設計的一大挑戰。量子點因其特殊的能階特性，有望成為量子電腦中儲存量子位元的理想材料。

量子點技術的未來

量子點技術的出現，不僅改變了我們對顯示面板的認知，也為量子計算領域帶來了新希望。隨著技術的進一步成熟，量子點在顯示技術之外，還有可能應用在更多的高科技領域，如光學感測、生物醫學標記等。

如果你對量子點的應用充滿好奇，不妨繼續關注相關的技術發展。也許有一天，這些微小的「人工原子」會成為推動科技變革的核心力量，為我們的生活帶來更多的驚喜和便利。

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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？

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。

台灣首台量子電腦誕生：量子時代的到來

2024 年 1 月，台灣自主研發的第一台量子電腦正式於中央研究院誕生，儘管僅具備5個量子位元（qubits），卻為台灣在全球量子電腦競技場上佔據一席之地揭開了序幕。這一具有歷史性意義的事件不僅代表台灣科技能力的進步，也喚醒了人們對量子電腦的未來潛力的無限期待。

量子電腦，不再僅是科幻小說中的幻想，而是實實在在的科技新星，逐漸改變人類面對複雜問題的解決方式。台灣，身為全球半導體製造的重要支柱，正在迎接量子電腦進入量產的時代，而這將與材料學、晶片製程技術緊密相關。當量子技術進一步發展，台灣的製程技術無疑能為這場科技革命提供關鍵助力。

但在我們深入了解量子電腦的潛力之前，必須先理解它的基本運作原理。畢竟，要瞭解該投資哪些量子概念股，或者選擇哪些科系來掌握未來的科技趨勢，我們首先需要清楚量子電腦究竟是如何運作的。

什麼是量子電腦？從電晶體到量子位元

2019 年，Google 推出了 53 量子位元的量子電腦「梧桐」（Sycamore），並宣告達成「量子霸權」，即其量子電腦在短短 200 秒內完成了傳統超級電腦需要 1 萬年才能處理的計算任務。這標誌著量子計算能力的突破，為計算科學開啟了全新的紀元。

量子電腦之所以強大，是因為它利用了量子力學的「疊加」與「糾纏」現象。傳統電腦使用二進制的「0」和「1」來進行計算，而量子位元可以同時處於「0」和「1」的狀態，這使得量子電腦能在同一時間進行更多複雜的計算，大大提高了運算效率。

這樣的技術突破意味著，我們不再只依賴電子流過電晶體來實現運算，而是可以直接操控單一電子或其他粒子，讓它們同時攜帶 0 與 1 的信息，從而極大地提升了計算能力。

掌握電子的挑戰：從不確定性到操控技術

量子力學的另一個特性——不確定性原理——使得控制電子變得非常困難。電子極其微小，甚至無法用肉眼觀察。當我們試圖「觀察」一顆電子時，光子的介入會改變電子的狀態，這種不確定性使得同時測量電子的位置和動量幾乎不可能。

這種量子現象的捉摸不定，給科學家們帶來了巨大的挑戰。然而，正是這些現象，讓科學家們探索出了全新的計算方式——量子計算。在這一領域，超導體成為了實現量子位元的關鍵技術。

超導體與量子電腦的結合：解鎖未來的關鍵

2023 年 7 月，韓國科學家宣布發現了一種名為 LK-99 的高溫超導體，這一發現引起了全球的轟動，因為超導體具備零電阻和磁浮現象，與量子力學有著密切的聯繫。超導體是未來量子電腦的潛在材料，它能夠在極低溫下讓電子以「庫柏對」的形式運動，這些電子對能夠在原子之間暢通無阻，產生零電阻效應。

通過利用「約瑟夫森效應」，兩個超導體之間夾入絕緣體，可以讓電子對穿越絕緣體，形成「超導電流」。這種穿隧效應是量子電腦中量子位元的重要基礎，讓我們能夠構建出穩定且有效的量子系統。

然而，現有的超導量子電腦仍面臨兩個主要挑戰。首先，超導現象只能在接近絕對零度的極低溫環境下出現，這意味著要在家庭或企業中大規模應用量子電腦，仍需克服極端溫控的技術難題。其次，超導量子位元非常容易受到外界干擾而失去量子狀態，這使得量子計算的穩定性成為一個尚未解決的問題。

量子電腦的多元發展：超導不是唯一的答案

儘管超導體被廣泛應用於當前的量子電腦技術中，但它並不是唯一的發展途徑。其他量子計算技術也在不斷進步，包括基於離子阱技術、光子學量子電腦等。

離子阱技術利用激光操控單一原子來進行計算，這種技術具有極高的精度和穩定性，但也面臨著技術複雜性和成本的問題。而光子學量子電腦則利用光子來承載和傳輸信息，具有快速且易於擴展的潛力，然而，目前的光子學技術還存在一定的技術障礙，尤其是在量子糾纏狀態的穩定性上。

因此，量子計算的未來發展並不會只依賴一種技術，而是可能出現多元化的方案，根據不同的應用場景，選擇最合適的技術路徑。

台灣的量子未來：機遇與挑戰並存

隨著全球對量子技術的關注不斷提升，台灣有望在這一領域佔據重要地位。台灣的半導體技術、材料科學研究和製造實力，無疑為量子電腦的發展提供了堅實的基礎。從傳統的半導體製程轉換到量子晶片製造，台灣擁有豐富的技術積累與創新潛力。

然而，量子電腦技術的發展速度迅猛，台灣必須在全球競爭中不斷推動自主研發能力。未來，量子電腦的應用範圍將涵蓋人工智能、金融運算、材料科學、新藥開發等領域，這將進一步改變現有的產業結構和科技生態。

對於投資者和學生來說，理解量子電腦的運作原理與未來趨勢，將是未來掌握科技變革的關鍵。而量子電腦的崛起，也標誌著下一場技術革命的序幕已經開啟。