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量子電腦到底有多霸氣?終極「密碼戰」即將引爆?

研之有物│中央研究院_96
・2020/01/13 ・5169字 ・閱讀時間約 10 分鐘 ・SR值 521 ・七年級

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本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位

  • 採訪編輯|郭雅欣、美術編輯|林洵安

量子電腦與密碼學

2019 年 10 月 Google 宣布實現「量子霸權」,全世界都驚呆了!量子電腦已經無所不能了嗎?其實量子霸權的意義在於:人類已經讓量子電腦做到一件古典電腦很難達成的事。不過,量子電腦的進度條的確正快速更新,未來可能帶給人類巨大的福祉,但也會顛覆現今保護我們隱私的加密系統。

中研院資訊科學研究所鐘楷閔副研究員,形容密碼學就像一場好人與壞人的戰爭,站在量子密碼學研究前緣的他,將為研之有物的讀者揭密這場沒有煙硝的資安保衛戰。

中研院資訊科學研究所鐘楷閔副研究員,專長為理論計算機科學、量子密碼學、量子複雜度理論……換成白話,就是一位在資訊科學所用理論 / 數學研究方法研究資訊科學的科學家,專攻量子計算如何影響密碼學,及其潛力與極限。
攝影│林洵安

量子電腦跟傳統電腦差在哪?

量子電腦和傳統電腦的不同,在於它利用了各種神奇的量子特性,也就是當我們以微觀的角度觀察這個世界時,那些與巨觀世界不同的特性,像是讓薛丁格的貓介於死和沒死之間的「疊加態」,或是兩個量子即使相距很遠,仍舊會依據對方狀態而決定自己當下狀態的「纏結效應」。(有關量子效應可參考「研之有物」相關文章 量子電子元件 hen 夯,但如何掌握像情人心難測的量子位元?) 當電腦擁用這些比科幻還科幻的量子特性,將克服古典電腦無法解決的難題。

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不過,鐘楷閔立刻猛劃重點強調:

量子電腦不是無所不能,或是每秒鐘能做的事情比較多,它只在某些「特定(但很重要)問題」上,有比古典電腦更快的解法,只需要更少的空間和步驟。

舉例來說,未來量子電腦可能用於模擬細菌的固氮作用,將大大提升農業上製造氮肥的效率。因為細菌進行固氮作用時,有些關鍵步驟具有量子效應,模擬這些效應的複雜度將超越了古典電腦的極限。而量子電腦「剛剛好」是以量子效應運作,當然較有希望成功。

不幸的是,量子電腦可攻克的「特定問題」,也包括時刻保護我們交易安全和隱私的加密系統……

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堅不可摧的加密系統

登入網購平台,輸入帳號密碼,選好商品放入購物車(又剁了好幾根手指)之後,再填好地址及電話,按下結帳,輸入信用卡卡號,接下來只要等商品來到家門口,啊~多美好的日常……等等,你算過在剛剛那五分鐘裡,親手傳出多少個人資訊嗎?這個問題細思極恐,事實上不必太擔心,因為密碼學正默默保護著我們。

早在兩千年前凱撒大帝打仗時,就懂得使用「暗號」來保護軍事書信。只有知道暗號的人可以「解讀」信件內容,對於不知道暗號的敵人來說,就算拿到書信也只是一堆亂碼。

但這套方式有個致命傷,那就是「如何一開始讓所有合法的使用者拿到一樣的暗號,又不會讓暗號外洩呢?」當代的密碼學家想出一套稱為「非對稱加密 」的方式,利用成對的公鑰和私鑰來加密暗號,公鑰就像是一個蓋上就鎖住的盒子,私鑰是可以打開這個盒子的鑰匙。如此一來,就能讓素昧平生的合法使用者,先利用比較安全的非對稱加密傳遞暗號,接下來就能靠暗號祕密通訊了。當你登入網購平台買東西,你的電腦和平台之間的通訊,就是透過類似的方式保護你的個資。

舉例來說,當顧客登入網路書店,申請刷卡購買「研之有物」的新書。網路書店會立刻製造一對公鑰和私鑰,把公鑰傳給客戶的電腦。客戶端的電腦再將自己的暗號,以公鑰加密後傳回網路書店。壞人沒有私鑰,就算中途攔截了信息也無法破解。最後,網路書店用私鑰解密,得到客戶的暗號,接下來就可以靠暗號傳送信用卡卡號等個資了。

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細心的讀者可能會有疑問:那為什麼不直接把所有訊息透過非對稱加密傳遞,還需要先傳暗號,再用暗號保護訊息呢?原因在於,非對稱加密的效率非常低,而透過暗號加密(稱為對稱式加密)的效率很高。因此,目前網路架構中,僅利用非對稱加密傳遞短短的暗號,接下來主要的通訊就使用高效率的對稱式加密。
圖說設計│ 林洵安、黃曉君

當然,網路上並不是真的有一個盒子在傳輸!目前的加密系統能如此安全,關鍵是它的核心有一個難以解開的數學難題,需要公鑰加上私鑰才能解開。所以即使壞人拿到加了密的訊息,沒有私鑰還是解不了密碼。

這類數學難題很多,像是超大數字的質因數分解。隨機找兩個很大的質數相乘 ,比如 97 乘上 113 ,就會得到一個超大數字 10961 ,很簡單吧?但是,如果一開始給你 10961,你算得出它是哪兩個質數相乘嗎?

這不是國小老師偷懶沒教,而是人類還沒找到有效率的方法(多項式時間的演算法)來計算質因數分解這類問題。所以理論上,只要數字夠大,即使是全世界性能最強大的超級電腦,也可能花費上萬年才能破解。

簡言之,加密系統核心的數學難題愈困難,古典電腦就需要花愈長的時間破解,加密系統也就愈安全。

破解古典密碼,量子電腦 hen 會

然而,現今密碼學看似堅不可破的數學難題,在量子電腦的面前變得不堪一擊。因為這些問題的答案都可以轉化成週期性的結構,剛好量子電腦擅長破解。(哭哭)

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什麼是週期性結構?再以質因數分解問題舉例:想要找出 N 這個數字是由哪兩個質數 (P 與 Q) 相乘所得,可以先任意選擇一個數字 A ,用 A 去除 N ,得到一個餘數 a1 ,接下來依序用 A2 、 A3 、 A4 ……不斷地除 N ,就會得到餘數 a1 、 a2 、 a3 、 a4 ……最後某一次的操作,餘數會回到 a1 ,形成週期性的結構。一旦能找到週期,就能「比較有效率」的分解 N。

不過,對於古典電腦來說,當數字相當巨大時,尋找餘數的週期仍是十分困難的任務,但對於具有疊加作用的量子電腦,卻是小事一樁。

總之,目前我們所仰賴的加密系統,在量子電腦出現之後將變得不再安全……可是 IBM 、 Google 不斷更新量子電腦發展的進度條,我們已經暴露在資訊外洩的風險之下了嗎?

別擔心!小亞瑟還沒長成惡魔小丑

其實,量子電腦目前還只是個嬰孩階段。以 Google 用來實現量子霸權的量子電腦來說,只有 53 個位元。

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相較古典電腦,早在 1970 年即已發布 Intel 1103 ,為容量 1 kb (1024 位元) 的記憶體。「古典電腦如果只有 53 個位元的記憶體,連程式都沒辦法寫,英文字母只能存 7 個,可以想像現在的量子電腦 Size 有多迷你。」鐘楷閔笑著繼續解釋:「而且如果把 Google 做的事情畫成一個量子電路,這台電腦能執行的電路深度最多只有 20 層。」翻譯成大白話,意思是:每個位元只能運算 20 次!

「20 次?!這麼少?」你發現重點了!量子位元操作時很容易受到環境影響而壞掉, 20 次的操作已是目前的極限。

Google 公布的 53 個位元量子電腦。上圖每個灰色 X 皆是一個量子位元,白色的 X 是壞掉的量子位元,下圖為幾公分大的量子電腦晶片,量子位元統統擠在這小小的晶片中。
圖片來源│《Nature》

不只如此, Google 這次霸氣外漏的宣告,他們讓量子電腦做的事情,其實是……模擬量子電腦自己!「哈哈,這題目有點作弊嫌疑啦!不過,這依然是一個很重要的結果,證明了即使現在量子電腦這麼小,已經可以做到一件古典電腦做不到的事了。」鐘楷閔笑著解釋。

這個任務有多難?如果古典電腦試圖模擬同樣的量子系統,必須先將量子態用 0 與 1 記錄下來,再計算這些 0 與 1 經過 20 次量子運算會有什麼改變,最後才能得到結果。可是古典電腦光是要把這 53 個量子位元的狀態寫下來,就需要 253 個位元的空間,更別提運算和模擬了! 根據 Google 論文宣稱,古典電腦要完成這件事得花一萬年,但這臺小小的量子電腦只需花 200 秒。

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Google 實驗的意義在於:我們已經可以控制 53 個量子位元完成 20 次的操作,這是一件目前古典電腦做不到的事。

但是,這距離真正「有用」的量子電腦還有很遠的路!拿量子電腦模擬細菌固氮效應來說,量子電腦得擁有 100 個左右的量子位元,並且可以運算操作 1014 次……。 想想,Google 的量子電腦只有 53 個位元不說,而且只能操作 20 次,簡直天壤之別!至於量子電腦破解現在的加密系統,根據專家預測,嗯……至少還要 30 年的時間。

終極密碼戰,現在就開打!

雖然如此,但密碼學已深入現代生活的層層面面,不早點找出應對之策,屆時可就來不及了。想想全世界在千禧年危機的手忙腳亂、損失慘重……

從 2017 年起,美國國家標準暨技術研究院 (NIST) 開始著手「後量子密碼標準化計畫」,募集全世界密碼學家研發、可對抗量子電腦的密碼系統。這些密碼系統的核心同樣有個數學難題,但這個難題無法轉化成量子電腦擅長的週期性問題,中研院資訊所楊柏因研究員團隊也參與這個計畫,並通過第二輪選拔。

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「整個過程就像選秀節目一樣,」鍾楷閔笑著形容:「主辦單位先海選出合適的密碼系統,然後經過兩輪篩選,訂定標準化的各項參數,預計在 2022 ~ 2024 年間公布最終標準。」

簡言之,在 3-5 年後,我們很可能就會開始逐步更新密碼系統,正式進入「後量子時代」。

這場密碼學的競賽,就像好人與壞人的戰爭。究竟是壞人會先利用量子電腦破解加密系統,擊潰目前的資訊安全網,還是好人會先做出安全的後量子時代加密系統,築起更安全的防禦牆,關鍵就在這幾十年量子電腦的發展。

科技進步不會停止,在量子電腦發展過程中,密碼學家正努力追趕進度,為人類預先設下資訊安全網。下次在網路上輸入個人資料時,不妨感謝一下在螢幕後頭默默努力著的密碼學家們(合十)。

 

原來量子電腦還在嬰兒階段,只能運算 20 次啊……想要它的運算次數快速成長,有沒有什麼好辦法?

其實,不太可能期待一個量子態經過多次的運算操作還不會壞掉,所以我們應該換一個概念:當做了一定的計算,量子態開始有一點點壞掉時,立刻修復它。換句話說,如果能成功幫量子位元隨時除錯,那它的計算次數就可以無限多。

為此,科學家正在研發如何替量子位元編碼,變成「邏輯量子位元」。所以有人認為,量子電腦的下一個目標,應該是先實現邏輯量子位元。

另一種有趣的想法是,如果把操作有限的小型量子電腦,配上古典電腦,也許可以相當於大型量子電腦……

小型量子電腦 + 古典電腦 = 大型量子電腦,這個點子感覺有戲!

可惜的是,沒有這麼便宜的事!我的團隊最新的研究,在某個模型下,反駁了英國密碼學家喬茲薩 (Richard Jozsa) 提出的類似想法「喬茲薩猜想」。

喬茲薩猜想的意思是:所有可以被大型量子電腦解決的問題,運算步驟都可被拆解,然後由小型量子電腦(只能進行少數次數操作)搭配上古典電腦解決。如果這樣的猜想為真,意味著不需要強大的量子電腦(能夠進行很多次操作),只要小型量子電腦和古典電腦合作,也能解決所有大型量子電腦可以做的事。

資料提供│鐘楷閔
圖片重製│林洵安

我的團隊則在密碼學的一個「預言機模型」 (oracle model) 下提出一個問題,證明量子操作次數不夠多的時候,這個問題無法解開,為這個猜想找到了一個反例。

真可惜……除了量子電腦本身,鐘老師對於量子密碼學還在進行什麼研究呢?

我另一項研究重點,與密碼學的安全性證明有關。前面說過,密碼系統的核心是一個數學難題,換句話說,一個密碼系統的安全性必須仰賴這個數學難題是無法被破解。

我們可以用數學來證明這些密碼系統的構造有多安全,但對應的量子版本我們還在研究中。

因為愈好的證明,愈能確保加密系統的安全性。尤其在 NIST 正如火如荼找出後量子時代加密系統的現在,我們能做到多好的證明,也會影響標準化的參數要怎麼設定,才能滿足運算速度夠快,但又非常安全的需求。這是現代密碼學家非常重要的任務。

延伸閱讀

本文轉載自中央研究院研之有物,原文為量子電腦到底有多霸氣?即將引爆終極密碼戰?!,泛科學為宣傳推廣執行單位

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研之有物│中央研究院_96
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研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook

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ECU: 汽車大腦的演化與挑戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/02 ・3793字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文與 威力暘電子 合作,泛科學企劃執行。

想像一下,當你每天啟動汽車時,啟動的不再只是一台車,而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機,後果會有多嚴重?方向盤可能瞬間失靈,安全氣囊無法啟動,整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情,而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天,我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟,汽車的「大腦」—電子控制單元(ECU),是如何從單一功能,暴增至上百個獨立系統?而全球頂尖的工程師們,又為何正傾盡全力,試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化?

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代,當時的汽車工程師們面臨一項重要任務:如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力?「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現,關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間:火星塞的點火時機,也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內,這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一!引擎效率就能提升整整一成!這不僅意味著車子開起來更順暢,還能直接省下一成的油耗。那麼,要如何跨過這道門檻?答案就是:「電腦」的加入!

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工程師們引入了「微控制器」(Microcontroller),你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法,在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內,精準計算出最佳的點火角度,並立刻執行。

從此,引擎的性能表現大躍進,油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元(ECU)的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)。

汽車電子控制單元的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)/ 圖片來源:shutterstock

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功,在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像:「這 ECU 這麼好用,其他地方是不是也能用?」於是,ECU 的應用範圍不再僅限於點火,燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車,甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而,問題來了:這麼多「小電腦」,它們之間該如何有效溝通?

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為了解決這個問題,1986 年,德國的博世(Bosch)公司推出了一項劃時代的發明:控制器區域網路(CAN Bus)。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上,就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是,CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如,煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息,絕對能搶先通過,避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題,但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線,並連接各種感測器和致動器。結果就是,一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里,總重量更高達 50 到 60 公斤,等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面,大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束,簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障,無疑讓人一個頭兩個大。

大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。/圖片來源:shutterstock

汽車電子革命:從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代,汽車電子架構迎來一場大改革,「分區架構(Zonal Architecture)」搭配「中央高效能運算(HPC)」逐漸成為主流。簡單來說,這就像在車內建立「地方政府+中央政府」的管理系統。

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可以想像,整輛車被劃分為幾個大型區域,像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙,就像數個「大都會」。每個區域控制單元(ZCU)就像「市政府」,負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合,並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理,就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台(HPC)擔任,統籌負責更複雜的運算任務,例如先進駕駛輔助系統(ADAS)所需的環境感知、物體辨識,或是車載娛樂系統、導航功能,甚至是未來自動駕駛的決策,通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中, 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子,便精準地切入了這個趨勢,致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢,威力暘提供的解決方案,就像是將好幾個「分區管理員」的職責,甚至一部分「超級大腦」的功能,都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力,可同時支援 ADAS 與車載娛樂,還能兼容多種通訊協定,大幅簡化車內網路架構。如此一來,車廠在追求輕量化和高效率的同時,也能顧及穩定性與安全性。

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2008 年威力暘電子致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台 /圖片來源:shutterstock

萬無一失的「汽車大腦」:威力暘的四大策略

然而,「做出來」與「做好」之間,還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯?具體來說,威力暘電子憑藉以下四大策略,築起其產品的可靠性與安全性:

  1. AUTOSAR : 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層(RTE)和基礎軟體層(BSW)。就像在玩「樂高積木」,ECU 開發者能靈活組合模組,專注在核心功能開發,從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
  2. V-Model 開發流程:這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般,左側從上而下逐步執行,右側則由下而上層層檢驗,確保每個階段的安全要求都確實落實。
  3. 基於模型的設計 MBD(Model-Based Design) 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具,把整個 ECU 要控制的系統(如煞車),用數學模型搭建起來,然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前,就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷,,並驗證安全機制是否有效。
  4. Automotive SPICE (ASPICE) : ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」,它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性,而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」,也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化,並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作,其能否正常運作,自然被視為最優先項目。為此,威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準:ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統(特別是 ECU)的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」,從概念、設計、測試到生產和報廢,都詳細規範了每個安全要求和驗證方法,唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略,威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準,才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而,ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡,「大腦」變得更集中、更強大後,汽車產業又迎來了新一波革命:「軟體定義汽車」(Software-Defined Vehicle, SDV)。

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軟體定義汽車 SDV:你的愛車也能「升級」!

未來的汽車,會越來越像你手中的智慧型手機。過去,車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」,想升級?多半只能換車。但在軟體定義汽車(SDV)時代,汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」,能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA(Over-the-Air)技術,車廠能像推送 App 更新一樣,遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過,這種美好願景也將帶來全新的挑戰:資安風險。當汽車連上網路,就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭,輕則個資外洩,重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV,業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略,確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程,到安全認證,這些努力,讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新,也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力,威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota,以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈,更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴,以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈,並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產,驗證其流程與品質。

毫無疑問,未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷,交由電腦判斷,比交由人類駕駛還要安全的那一天,離我們不遠了。而人類的角色,將從操作者轉為監督者,負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全,人類甘願當一個「最弱兵器」,其實也不錯!

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從 MiniLED 到 QLED:量子點技術如何改寫螢幕的未來?
PanSci_96
・2024/11/17 ・2235字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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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?

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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。

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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。

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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。

量子點技術憑顆粒大小精準發光,色彩純度遠勝傳統濾光片。圖/envato

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。

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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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量子革命來襲!一分鐘搞定傳統電腦要花數千萬年的難題!你的電腦是否即將被淘汰?
PanSci_96
・2024/10/17 ・2050字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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?

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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。

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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。

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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。

量子電腦能大幅縮短複雜問題的計算時間,利用量子閘進行平行運算。圖/envato

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。

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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。

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PanSci_96
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