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人類頭一擺偵測著藍鯨个心跳!在深海个頻率原來恁慢│【寶溫盃】客語朗讀比賽

PanSci_96
・2020/07/25 ・1834字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 527 ・七年級
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寶溫盃客語朗讀比賽邁入第 13 屆,而受到新冠肺炎疫情影響,這屆賽事從 4 月延至 7 月 25 日,今年特別以泛科學網站文章,作為朗讀素材,鼓勵更多人來傳播科學知識。以下收錄相關朗讀素材供參考。

原始文章連結:人類首次偵測到藍鯨的心跳!在深海的頻率原來這麼慢

人類頭一擺偵測著藍鯨个心跳!在深海个頻率原來恁慢(海陸腔)

藍鯨係一種非常矛盾又迷人个存在,佢兜戴在深深个海竇肚,嗄需要敨新鮮空氣;體型做得講係目前世上已經知个最大个生物,嗄差毋多斯需要依恃芮芮隻个磷蝦為生。

最近,科學家還發現咧一隻關於藍鯨个生趣事實,該就係:佢兜个心跳超、級、慢。為著順利解開藍鯨个心跳秘密,由史丹佛大學个海洋生物學家傑瑞米‧葛登伯根 (Jeremy Goldbogen) 所帶領个團隊,特別打造了客製化心電偵測裝置。心跳會在皮膚表面引起極細个電學變化,捕捉這兜變化,並摎佢放大描繪做心電圖。

研究員摎帶有電極个感測器裝在吸盤裡肚,下後利用 6 公尺長个碳纖維桿仔,摎器具裝在加州蒙特利灣一隻 15 歲个藍鯨身上。佢兜特製个器具除忒做得偵測心律,還帶有 GPS 追蹤器,在記錄各種數據後,會㪐忒、浮上海面,再由研究人員追蹤回收、分析數據。

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這兜新型器材,毋單淨做得分研究人員研究鯨魚个生活,也毋會過度攪躁佢兜,對於鯨魚來講,就像係輕輕仔拍佢兜个肩頭共樣。

最尾,這兜器具收集到咧差毋多 8.5 小時个數據,研究團隊發現著,藍鯨个心跳頻率變化極大,對一分鐘跳 2 下到一分鐘 37 下都有可能。當鯨魚潛到下頭个時節,佢个心律乜會跈等大幅下降。在潛下去个時節,心律大約係一分鐘 4-8 下,下把會一路下降到一分鐘 2 下。

毋過,做麼介佢兜个心臟愛跳到恁慢?一般來講,維持較低个心律有助海洋哺乳類保存氧氣,分佢兜做得在水面下還較長个時間。

毋過啊,科學家該兜看著數據後个感想係:這也實在係昶慢咧啊!這遠低於科學家頭下碼个預估──逐分鐘 11 下。更驚人个係,就算係進行捕食這種需要耗費大量精力个事情時,藍鯨个心律也不過 8.5 下/逐分鐘,佢兜食飯个時節該就愛撞落磷蝦群裡肚,摎嘴擘大大一口吞下磷蝦哦!

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毋過,藍鯨个心律也毋係一直恁慢,當佢慢慢浮上來个時節,佢个心律會重新上升。到達海平面个時節,佢个血液流動會變到較遽,煞猛再過補充氧氣,為下一擺个下潛做準備,還畀偵測个鯨魚在這隻階段个心跳,紀錄做得達到巔峰个一分鐘 37 下,恁遽个心律,基本上已經達到咧鯨魚心臟个極限。

人類頭一擺偵測著藍鯨个心跳!在深海个頻率原來恁慢(四縣腔)

藍鯨係一種非常矛盾又迷人个存在,佢兜戴在深深个海竇肚,嗄需要敨新鮮空氣;體型做得講係目前世上已經知个最大个生物,嗄差毋多斯需要依恃芮芮隻个磷蝦為生。

最近,科學家還發現咧一隻關於藍鯨个生趣事實,該就係:佢兜个心跳超、級、慢。為著順利解開藍鯨个心跳秘密,在史丹佛大學个海洋生物學家傑瑞米.葛德波根 (Jeremy Goldbogen) 所帶領个團隊,特別打造了客製化心電偵測裝置。心跳會在皮膚表面引起極細个電學變化,捕捉這兜變化,並摎佢放大描繪做心電圖。

研究員摎帶有電極个感測器裝在吸盤裡肚,下後利用 6 公尺長个碳纖維桿仔,摎器具裝在加州蒙特利灣一隻 15 歲个藍鯨身項。佢兜特製个器具除忒做得偵測心律,還帶有 GPS 追蹤器,在記錄各種數據後,會㪐忒、浮上海面,再由研究人員追蹤回收、分析數據。

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這兜新型器材,毋單淨做得分研究人員研究鯨魚个生活,也毋會過度攪躁佢兜,對於鯨魚來講,就像係輕輕仔拍佢兜个肩頭共樣。

最尾,這兜器具收集到咧差毋多 8.5 小時个數據,研究團隊發現著,藍鯨个心跳頻率變化極大,對一分鐘跳 2 下到一分鐘 37 下都有可能。當鯨魚潛到下頭个時節,佢个心律乜會跈等大幅下降。在潛下去个時節,心律大約係一分鐘 4-8 下,下把會一路下降到一分鐘 2 下。

毋過,做麼个佢兜个心臟愛跳到恁慢?一般來講,維持較低个心律有助海洋哺乳類保存氧氣,分佢兜做得在水面下還較長个時間。

毋過啊,科學家該兜看著數據後个感想係:這也實在係忒慢咧啊!這遠低於科學家頭下碼个預估──逐分鐘 11 下。更驚人个係,就算係進行捕食這兜需要耗費大量精力个事情時,藍鯨个心律也不過 8.5 下/逐分鐘,佢兜食飯个時節該就愛撞入磷蝦群裡肚,摎嘴擘大大一口吞下磷蝦哦!

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毋過,藍鯨个心律也毋係一直恁慢,當佢慢慢浮上來个時節,佢个心律會重新上升。到達海平面个時節,佢个血液流動會變到較遽,煞猛再過補充氧氣,為下一擺个下潛做準備,還畀偵測个鯨魚在這隻階段个心跳,紀錄做得達到巔峰个一分鐘 37 下,恁遽个心律,基本上已經達到咧鯨魚心臟个極限。

看更多客語版朗讀素材,請見:【寶溫盃】客語朗讀比賽「暢樂搞科學」

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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

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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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打破絕望!肝癌晚期的突破性治療新趨勢,五大關鍵解析
careonline_96
・2024/10/18 ・2302字 ・閱讀時間約 4 分鐘

圖/照護線上

肝癌晚期一直以來面臨低存活率的挑戰。隨著醫學進展,免疫治療加上抗血管新生標靶藥物的出現,才讓肝癌晚期有新的希望。為了讓大家了解肝癌晚期治療的最新發展,照護線上邀請台灣大學醫學院內科臨床副教授暨台大癌醫中心醫院腫瘤內科部的林宗哲醫師,來解答 5 個關鍵問題。

第 1 問:肝癌晚期在傳統治療上面臨的困境為何?大多數患者是否沒機會進行根除性手術?

肝癌是台灣常見的癌症之一,由於早期沒有症狀,直到出現黃疸、腹脹等症狀時,已進展為肝癌晚期。此時,因腫瘤較大,甚至侵犯血管或轉移至其他器官,大多數患者診斷時已無法進行手術根除腫瘤。林宗哲醫師表示,早年晚期肝癌的治療選擇有限,治療成效也不甚理想。雖然十多年前開始有口服標靶藥物的出現,稍微改善了患者的存活期,但其腫瘤反應率仍不到 10%,並未大幅改變治療結果。

第 2 問:肝癌晚期第一線治療有漸漸轉變為免疫治療合抗血管新生標靶的趨勢嗎?這樣的組合治療效果如何?

林宗哲醫師表示,在缺乏有效標靶或免疫治療藥物的年代,晚期肝癌患者的存活期僅有 3 到 4 個月。之後開始使用單一標靶藥物治療,存活期雖然可達到 6 個月至 1 年,但是整體療效進展仍然比較不顯著。而如今,免疫治療合併抗血管新生標靶的出現,讓晚期肝癌患者的存活期達到近 20 個月,而且死亡風險下降了約 30% 到 35%,對於肝癌晚期的臨床治療來說,是突破性的發展。

肝癌晚期治療演進
圖/照護線上

隨著大規模臨床試驗發現,免疫治療加上抗血管新生標靶藥物能顯著提升治療反應率達 30%。林宗哲醫師指出,目前國際上已有共識,國際權威 NCCN 肝癌治療指引也建議將免疫合併標靶治療納入肝癌晚期的第一線治療。

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第 3 問:免疫治療合併抗血管新生標靶的機轉為何?為何能大幅提升反應率?

免疫藥物為免疫檢查點抑制劑(PD-L1 抑制劑)。林宗哲醫師解釋,人體的免疫系統中,T 細胞可辨識並殺死癌細胞。然而,當肝癌細胞表面的 PD-L1 與 T 細胞表面的 PD-1 接合時,就像給 T 細胞踩了剎車,使 T 細胞受到抑制無法辨認且攻擊癌細胞。PD-L1 抑制劑可以阻斷 T 細胞與癌細胞接合,喚醒 T 細胞活性,得以再度辨識並殺死癌細胞。

免疫治療合併抗血管新生標靶的機轉為何?
圖/照護線上

研究顯示,PD-L1 抑制劑結合抗血管新生標靶藥物後,治療效果大幅提升。林宗哲醫師推測,這可能是因為抗血管新生標靶藥物,除了抑制血管新生,阻止腫瘤變大,還能改變腫瘤周圍的免疫環境,大幅增加腫瘤微環境被活化的T細胞數量,從而增強對肝癌細胞的殺傷效果。

第4問:免疫治療合併抗血管新生標靶對肝癌晚期患者帶來的優勢為何?

肝癌晚期治療需要權衡療效與副作用。免疫治療合併抗血管新生標靶可以提高反應率、縮小腫瘤,進而延長患者的整體存活時間和腫瘤無進展存活時間,並降低死亡風險與疾病惡化風險。林宗哲醫師說,如果腫瘤縮小到可以開刀的程度,便有機會接受手術,甚至有痊癒的可能。

免疫合併抗血管新生標靶顯著提升反應率
圖/照護線上

相比傳統化療,免疫治療合併抗血管新生標靶的副作用較少,且患者更易承受,治療期間生活品質也較佳。

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第 5 問:免疫合併抗血管新生標靶有納入健保給付了嗎?第一線肝癌晚期患者就能申請嗎?

免疫合併抗血管新生標靶治療已於 2023 年 8 月納入肝癌晚期第一線治療的健保給付範圍,病患可主動與醫師討論是否符合申請條件。林宗哲醫師說,適用條件為未曾接受過全身性治療的轉移性或無法手術切除且不適合局部治療或局部治療失敗的 Child-Pugh A class 晚期肝癌患者。

林宗哲醫師分享了肝癌晚期的案例,三年前,一位中年男性患者在健保尚未給付的情況下,接受免疫合併抗血管新生標靶治療。經過一年的治療,腫瘤顯著縮小,達到可以手術切除的程度。手術後保持電腦斷層和核磁共振檢查不到腫瘤,持續接受治療一年才停止治療並持續追蹤。停藥後已保持超過一年以上無疾病復發。

林宗哲醫師最後提醒,免疫治療合併抗血管新生標靶讓肝癌晚期的治療成效大幅提升,而且健保也有給付,減少治療所需的經濟負擔,患者應與醫師詳細討論與密切配合,爭取最佳的治療效果和存活預後。

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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

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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?

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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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