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手算來不及啦!先驅者並起,數位計算機的萌芽時期│《電腦簡史》數位時代(五)

張瑞棋_96
・2020/09/21 ・4445字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 514 ・六年級

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1937 年,夏農完成影響深遠的碩士論文,為後世擘劃出邏輯電路,開啟數位電腦的大門。不過歷史上總會有一些先驅者,縱然還沒有理論可依循,就先動手摸索嘗試。數位電腦也是如此,在夏農公開發表論文之前,已經有多組人馬試圖打造新型計算機。奇妙的是,他們彼此互不相識,卻宛如心有靈犀,都在 1936 – 1937 年之間開始著手開發。

本文為系列文章,上一篇請見:獨自搞定電腦與通訊的理論基礎,卻罕為人知的天才——夏農│《電腦簡史》數位時代(四)

客廳即工坊,數位計算機的先行者——楚澤

數位計算機的先驅者中,最先動手打造的是德國的楚澤 (Konrad Zuse)。楚澤在大學期間曾對未來感到迷惘而轉換科系,所以直到 25 歲才從土木工程系畢業。畢業後,楚澤到一家飛機公司擔任結構工程師,但不到一年就決定辭職,全心開發計算機。

據他回憶,這個念頭早在大學時期就已萌生。當別人都在玩樂談戀愛,他卻只能埋首於算都算不完的方程式,不禁幻想著有部計算機可以代勞這些大量複雜的計算。沒想到上班之後,竟又深陷計算地獄,讓他下定決心要打造出一台可程式化的計算機,用來解各種複雜的聯立方程式。

楚澤 (Konrad Zuse, 1910-1995) 攝於 1992 年。圖:WIKI

1936 年夏天,楚澤把家裡客廳當作工作坊,開始打造 Z1 計算機(原本楚澤取為V1,V 代表德文 “Versuchsmodel”,意思是「實驗機型」。後來為了與德國 V1 火箭區別,才改稱 Z1)。楚澤將 Z1 規劃為運算單元、記憶單元、控制單元、輸入/輸出單元,以及紙帶讀取器。這設計幾乎就是現代電腦的基本架構,唯一差別在於 Z1 的記憶單元只是用來貯存運算的數字,不像現代電腦的記憶單元也用來貯存程式。Z1 的運算程序和巴貝奇的分析機一樣,記錄在打孔紙帶上,再由讀取器傳送到控制單元(後來楚澤聽從朋友的建議,改用廢棄的電影膠卷,更便宜也更耐用)。

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Z1 還有外接一具電動馬達,以每秒轉動一圈的速度,讓各個單元同步運作;這作用就相當於現代電腦中的「時脈產生器」。事實上,這具電動馬達是整部機器中唯一的電氣元件。這聽起來很不可思議,楚澤不用繼電器之類的元件,如何打造出二進位的數位計算機?。

原來楚澤家中並不富裕,部分資金還是跟朋友募來的,根本買不起那麼多繼電器。所以他只好另闢蹊徑,找來朋友幫忙鋸出一片片金屬條,每片的末端再釘上一根針,然後將金屬條縱橫交錯地裝在板子上,做成可以左右或上下滑動。每個單元各自都有這樣的板子,透過滑動金屬條改變接觸點,便能形成不同迴路,達到與繼電器一樣的效果。

Z1 計算機的局部設計圖。圖:WIKI

也因為資源有限,楚澤想出用「浮點數」(floating-point numbers,類似十進位的科學記法 a x 10n) 的形式來貯存數字,可以更有效地利用硬體零件。浮點運算如今也成了電腦做小數點運算的方式。

雖然楚澤想辦法找出克難的方法,不過光靠家人與朋友的資金還是捉襟見肘,於是他在 1937 年邀請一位製造機械式計算機的企業家前來參觀,希望能獲得他的資助;或許因此還能買得起繼電器,打造下一個機型。

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到目前為止,楚澤仍是數位計算機的唯一領先者,但他不知道在大西洋的另一邊,還有多組人馬也已經起跑。夏農正在撰寫那篇震古鑠今的碩士論文,此外,有三位先驅者也在 1937 這一年試圖開發數位計算機。當然,他們也都毫不知情自己加入了這場開發數位計算機的競賽。

祕寶深藏閣樓半世紀,巴貝奇的繼承者——艾肯

艾肯 (Howard Aiken) 比楚澤大十歲,母親也是德國裔。他青少年時全家搬到印第安那州,父親卻開始酗酒家暴。艾肯十二歲時為了捍衛母親,持撥火棒將抓狂的父親趕出門,父親從此消聲匿跡未再回來,全家生活也因而陷入困頓。

為了幫忙分擔家中生計,艾肯只好輟學打工。所幸他的老師認為他有數學天分,特地幫他找了個夜間接線生的工作,讓他白天仍能繼續上學。艾肯就這麼半工半讀直到完成大學學業,畢業後到電力公司上班,擔任電機工程師。工作將近十年後,他於 1933 年又重返校園,進入哈佛大學攻讀物理博士。

艾肯 (Howard Aiken, 1900-1973)。圖:WIKI

1936 年,艾肯在準備博士論文時,常因為計算非線性微分方程式,耗費大量時間與精神,讓他深感苦惱,因此也與巴貝奇、楚澤一樣,期盼能交給計算機代勞。

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雖然當時已經有許多 IBM 之類的計算機公司,但是艾肯詢問的結果,竟然沒有一台可以處理非線性微分方程式的計算機。他有聽聞布希剛發明的微分分析儀,但只能解線性微分方程式,因此也派不上用場。

艾肯轉念一想:既然 MIT 可以支持布希打造計算機,咱們哈佛難道不行嗎?艾肯跑去跟系主任提這個想法。結果系主任告訴他:聽說科學中心的閣樓裡有台黃銅製的計算機,要不你先拿去看能不能用。

原來在閣樓中蒙塵已久的機器,竟是巴貝奇的差分機模型。這是他的兒子亨利在他死後所造,然後於 1886 年,為了祝賀哈佛建校兩百五十週年,捐贈予哈佛大學。艾肯立刻迷上了巴貝奇的機器,他進一步研究後,才知道還有一架分析機才是巴貝奇的終極夢想。

艾肯埋首史料之中,感覺巴貝奇彷彿從過去招喚著他,要他完成使命——倒不是要按照巴貝奇的原始設計圖重現分析機,而是以當代技術實現分析機的功能。

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巴貝奇的兒子亨利所造的差分機模型。圖:WIKI

不過艾肯現在的研究領域是理論物理,已不再是工程師了,所以他無意親自動手,而是打算制定出計算機的規格後,再交由廠商設計打造。

1937 年 4 月,艾肯完成二十三頁的計算機企劃案,除了涵蓋分析機的所有功能,還增列一些要求,包括計算負數,以及運用現有的函數(這意謂著要有記憶體預存這些函數)。

艾肯拿著企劃案拜訪一家大型計算機廠商,但對方評估了幾個月後,還是婉拒他的提案。所幸這家廠商有位中階主管相當熱心,幫艾肯居中牽線,讓他於當年 11 月向 IBM 簡報他的企劃案。艾肯渾然不知,此刻就在不遠處的貝爾實驗室裡,有位博士已經在打造數位計算機的原始電路。

在廚房完成數位計算機的概念驗證——史提畢茲

史提畢茲 (George Stibitz) 比艾肯小四歲,成長過程相當順遂,26歲取得數學博士學位後,就直接到貝爾實驗室上班。當夏農於 1937 年暑假到貝爾實驗室實習時,史提畢茲已經在那裡工作滿七年,不過他與夏農不在同一部門,所以兩人彼此並不認識。

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史提畢茲 (George Stibitz, 1904-1995)。圖:WIKI

這一年,史提畢茲被分派新的任務,恰巧是負責繼電器的設計。身為數學家,史提畢茲原本就相當熟悉二進位制,他也注意到繼電器與二進位制的關聯性,而萌生了一個想法。

1937 年 11 月的一個週末,史提畢茲把一些零件帶回家,就在廚房餐桌上組裝起來。他剪開菸草罐,裁出幾塊薄鐵片,用它們將兩個繼電器、電池,與燈泡固定在木板上,再用電線把它們連接起來,做出史上第一個繼電器組成的數位加法器。因為它是在廚房誕生的,史提畢茲的妻子乾脆把它取名為「型號 K」。

因為史提畢茲只帶了兩套零件回家,所以只能輸入二進位的 01 或 10,相加的結果用兩個燈泡顯示,亮代表 1 ,暗代表 0。雖然這個加法器如此陽春,但它的意義在於「概念驗證」 (proof of concept),證明了用繼電器建構的電路,可以成為一部數位計算器。史提畢茲相信只要給他更多繼電器,就能打造出加減乘除都能做的計算機。

隔天史提畢茲帶著型號 K 去公司,興沖沖地展示給同事看,不過大家都只當它是個有趣的玩具,沒有人察覺到它的重大意義。史提畢茲多年後回顧當時情景,不禁感慨:「沒有煙火、沒有香檳」。其實就連他也沒想過自己正站在數位時代的開端,他只希望獲得主管首肯,讓他繼續開發數位計算機。

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就在史提畢茲爭取主管支持之際,美國中西部有位教授研究計算機已經一年多,某一天他突然靈光一閃,想出如何打造出全電子式的計算機。

魔幻時刻!在酒吧想出全電子式數位計算機——阿塔納索夫

阿塔納索夫 (John Vincent Atanasoff) 和史提畢茲年紀相仿,兩人只差半歲,同樣也在 1930 這一年取得物理博士學位。他在寫博士論文時,和巴貝奇等計算機先驅一樣,深受繁重的計算工作之苦,因而不時想像是否能用計算機解決。事實上,當時他還真的研究過學校向 IBM 租用的計算機,但發現它無法處理自己所用的方程式。

阿塔納索夫 (John Vincent Atanasoff, 1903-1995)。圖:WIKI

1936 年,阿塔納索夫已經是愛荷華大學的教授,他終於動手打造一台類比計算機,用來計算拉普拉斯轉換。最後雖然打造成功,但他也認清類比計算機存在無法克服的限制,無論是運算速度與數字精確度都無法滿足要求,於是他毅然決定轉向開發數位式計算機。

原子物理是阿塔納索夫的研究領域,他剛好知道英國物理學家溫-威廉斯 (C. E. Wynn-Williams) 於 1932 年用真空管電路打造二進位計數器,能以極高的速率偵測粒子,因此他決定也用真空管做為計算機的元件。不過真空管價格昂貴,如果全面採用,所需的資金恐怕他個人和學校都負擔不起。

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權衡之下,阿塔納索夫決定只有運算單元採用真空管,但記憶元件則使用電容器。電容器價格便宜許多,雖然充、放電的速度比較慢,但畢竟記憶單元的存取頻率不像運算單元那麼高,拖慢的速度尚可接受。

唯一的問題是,電容器的電力很快就會流失,貯存的資訊也就跟著消失。阿塔納索夫一直想不出如何維持電容器的電力,一直到 1937 年 12 月的一個夜晚,他為了整理思緒開車上路,一路開到三百公里外的伊利諾州。他走進路邊一家酒吧,點了酒慢慢小酌,突然間靈光一閃,電容器的充電機制就在腦中浮現。

這個關卡突破後,他隨即在餐巾上草擬出計算機的整體架構與基本規格。幾個小時後,阿塔納索夫步出酒吧,心滿意足地徐徐開車返家,準備展開全電子式數位計算機的打造計畫。

阿塔納索夫體驗了許多發明家的魔幻時刻,而 1937 這一年在數位計算機的歷史上也是神奇的一年。

群雄並起,誰能在數位計算機征戰中勝出?

這一年,夏農完成影響深遠的碩士論文,等待公開發表;德國的楚澤所設計的 Z1 計算機已在建造中;艾肯試圖說服 IBM 開發他已制定好規格的計算機;貝爾實驗室的史提畢茲完成邏輯電路的概念驗證,爭取主管同意開發數位計算機;阿塔納索夫則跳過繼電器,構思出全電子式的計算機。

1937 年,群雄並起,不約而同地追逐數位計算機這座聖杯。究竟哪組人馬最後會脫穎而出呢?

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張瑞棋_96
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1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。

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純淨之水的追尋—濾水技術如何改變我們的生活?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/04/17 ・3142字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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本文與 BRITA 合作,泛科學企劃執行。

你確定你喝的水真的乾淨嗎?

如果你回到兩百年前,試圖喝一口當時世界上最大城市的飲用水,可能會立刻放下杯子——那水的顏色帶點黃褐,氣味刺鼻,甚至還飄著肉眼可見的雜質。十九世紀倫敦泰晤士河的水,被戲稱為「流動的污水」,當時的人們雖然知道水不乾淨,但卻無力改變,導致霍亂和傷寒等疾病肆虐。

十九世紀倫敦泰晤士河的水,被戲稱為「流動的污水」(圖片來源 / freepik)

幸運的是,現代自來水處理系統已經讓我們喝不到這種「肉眼可見」的污染物,但問題可還沒徹底解決。面對 21 世紀的飲水挑戰,哪些技術真正有效?

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19 世紀的歐洲因為城市人口膨脹與工業發展,面臨了前所未有的水污染挑戰。當時多數城市的供水系統仍然依賴河流、湖泊,甚至未經處理的地下水,導致傳染病肆虐。

1854 年,英國醫生約翰·斯諾(John Snow)透過流行病學調查,發現倫敦某口公共水井與霍亂爆發直接相關,這是歷史上首次確立「飲水與疾病傳播的關聯」。這項發現徹底改變了各國政府對供水系統的態度,促使公衛政策改革,加速了濾水與消毒技術的發展。到了 20 世紀初,英國、美國等國開始在自來水中加入氯消毒,成功降低霍亂、傷寒等水媒傳染病的發生率,這一技術迅速普及,成為現代供水安全的基石。    

 19 世紀末的台灣同樣深受傳染病困擾,尤其是鼠疫肆虐。1895 年割讓給日本後,惡劣的衛生條件成為殖民政府最棘手的問題之一。1896 年,後藤新平出任民政長官,他本人曾參與東京自來水與下水道系統的規劃建設,對公共衛生系統有深厚理解。為改善台灣水源與防疫問題,他邀請了曾參與東京水道工程的英籍技師 W.K. 巴爾頓(William Kinnimond Burton) 來台,規劃現代化的供水設施。在雙方合作下,台灣陸續建立起結合過濾、消毒、儲水與送水功能的設施。到 1917 年,全台已有 16 座現代水廠,有效改善公共衛生,為台灣城市化奠定關鍵基礎。

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圖片來源/BRITA

進入 20 世紀,人們已經可以喝到看起來乾淨的水,但問題真的解決了嗎? 科學家如今發現,水裡仍然可能殘留奈米塑膠、重金屬、農藥、藥物代謝物,甚至微量的內分泌干擾物,這些看不見、嚐不出的隱形污染,正在成為21世紀的飲水挑戰。也因此,濾水技術迎來了一波科技革新,活性碳吸附、離子交換樹脂、微濾、逆滲透(RO)等技術相繼問世,各有其專長:

活性碳吸附:去除氯氣、異味與部分有機污染物

離子交換樹脂:軟化水質,去除鈣鎂離子,減少水垢

微濾技術逆滲透(RO)技術:攔截細菌與部分微生物,過濾重金屬與污染物等

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這些技術相互搭配,能夠大幅提升飲水安全,然而,無論技術如何進步,濾芯始終是濾水設備的核心。一個設計優良的濾芯,決定了水質能否真正被淨化,而現代濾水器的競爭,正是圍繞著「如何打造更高效、更耐用、更智能的濾芯」展開的。於是,最關鍵的問題就在於到底該如何確保濾芯的效能?

濾芯的壽命與更換頻率:濾水效能的關鍵時刻濾芯,雖然是濾水器中看不見的內部構件,卻是決定水質純淨度的核心。以德國濾水品牌 BRITA 為例,其濾芯技術結合椰殼活性碳和離子交換樹脂,能有效去除水中的氯、除草劑、殺蟲劑及藥物殘留等化學物質,並過濾鉛、銅等重金屬,同時軟化水質,提升口感。

然而,隨著市場需求的增長,非原廠濾芯也悄然湧現,這不僅影響濾水效果,更可能帶來健康風險。據消費者反映,同一網路賣場內便可輕易購得真假 BRITA 濾芯,顯示問題日益嚴重。為確保飲水安全,建議消費者僅在實體官方授權通路或網路官方直營旗艦店購買濾芯,避免誤用來路不明的濾芯產品讓自己的身體當過濾器。

辨識濾芯其實並不難——正品 BRITA 濾芯的紙盒下方應有「台灣碧然德」的進口商貼紙,正面則可看到 BRITA 商標,以及「4週換放芯喝」的標誌。塑膠袋外包裝上同樣印有 BRITA 商標。濾芯本體的上方會有兩個浮雕的 BRITA 字樣,並且沒有拉環設計,底部則標示著創新科技過濾結構。購買時仔細留意這些細節,才能確保濾芯發揮最佳過濾效果,讓每一口水都能保證潔淨安全。

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濾芯本體的上方會有兩個浮雕的 BRITA 字樣,並且沒有拉環設計 (圖片來源 / BRITA)

不過,即便是正品濾芯,其效能也非永久不變。隨著使用時間增加,濾芯的孔隙會逐漸被污染物堵塞,導致過濾效果減弱,濾水速度也可能變慢。而且,濾芯在拆封後便接觸到空氣,潮濕的環境可能會成為細菌滋生的溫床。如果長期不更換濾芯,不僅會影響過濾效能,還可能讓積累的微小污染物反過來影響水質,形成「過濾器悖論」(Filter Paradox):本應淨化水質的裝置,反而成為污染源。為此,BRITA 建議每四週更換一次濾芯,以維持穩定的濾水效果。

為了解決使用者容易忽略更換時機的問題,BRITA 推出了三大智慧提醒機制,確保濾芯不會因過期使用而影響水質:

1. Memo 或 LED 智慧濾芯指示燈:即時監測濾芯狀況,顯示剩餘效能,讓使用者掌握最佳更換時間。

2. QR Code 掃碼電子日曆提醒:掃描包裝外盒上的 QR Code 記錄濾芯的使用時間,自動提醒何時該更換,減少遺漏。

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3. LINE 官方帳號自動通知:透過 LINE 推送更換提醒,確保用戶不會因忙碌而錯過更換時機。

在濾水技術日新月異的今天,濾芯已不僅僅是過濾裝置,更是智慧監控的一部分。如何挑選最適合自己需求的濾水設備,成為了健康生活的關鍵。

人類對潔淨飲用水的追求,從未停止。19世紀,隨著城市化與工業化發展,水污染問題加劇並引發霍亂等疾病,促使濾水技術迅速發展。20世紀,氯消毒技術普及,進一步保障了水質安全。隨著科技進步,現代濾水技術透過活性碳、離子交換等技術,去除水中的污染物,讓每一口水更加潔淨與安全。

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(圖片來源 / BRITA)

今天,消費者不再單純依賴公共供水系統,而是能根據自身需求選擇適合的濾水設備。例如,BRITA 提供的「純淨全效型濾芯」與「去水垢專家濾芯」可針對不同需求,從去除餘氯、過濾重金屬到改善水質硬度等問題,去水垢專家濾芯的去水垢能力較純淨全效型濾芯提升50%,並通過 SGS 檢測,通過國家標準水質檢測「可生飲」,讓消費者能安心直飲。

然而,隨著環境污染問題的加劇,真正的挑戰在於如何減少水污染,並確保每個人都能擁有乾淨水源。科技不僅是解決問題的工具,更應該成為守護未來的承諾。濾水器不僅是家用設備,它象徵著人類與自然的對話,提醒我們水的純淨不僅是技術的勝利,更是社會的責任和對未來世代的承諾。

*符合濾(淨)水器飲用水水質檢測技術規範所列9項「金屬元素」及15項「揮發性有機物」測試
*僅限使用合格自來水源,且住宅之儲水設備至少每6-12個月標準清洗且無受汙染之虞

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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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PanSci_96
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【2023 諾貝爾物理獎】什麼是「阿秒脈衝雷射」?能捕捉到電子運動的脈衝雷射?
PanSci_96
・2023/11/28 ・5966字 ・閱讀時間約 12 分鐘

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林俊傑《江南》:「相信愛一天,抵過永遠,在這一剎那凍結了時間」

這一剎那持續了多久?這出自佛經的時間單位有多個解讀,其中最短,可以對應的國際單位制是阿秒。 1 阿秒又有多快呢? 1 阿秒等於一百萬兆分之一秒,是已經短到不行的飛秒的千分之一。在這段時間,別說是談戀愛了,連世界上行動最快的光,也只能移動一顆原子直徑的距離。

在阿秒的時間尺度裡,連光都得停下腳步,過去我們認為捉摸不定的電子,也終於將在我們眼前現身。 2023 年的諾貝爾物理學獎,正是頒給了三位帶領人類進入阿秒領域,探索全新世界的科學家。而這項技術,還可能讓電腦的運算速度加快一萬倍!

就讓我們一起來進入阿秒的領域吧,領域展開!

什麼是阿秒脈衝雷射?

今年諾貝爾物理學獎的三位得主分別是 Pierre Agostini 、 Ferenc Krausz 、和 Anne L’Huillier ,表彰他們對阿秒脈衝雷射實驗技術的貢獻。

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圖/X

所謂的阿秒脈衝雷射,指的是持續時間僅有數十到數百阿秒的雷射。當我們能使用脈衝雷射來觀察目標,就好比使用快門時間極短的相機對目標拍照,能捕捉到瞬間的畫面。

2018 年的諾貝爾物理學獎,就頒給了極短脈衝雷射的研究。短短 5 年後,雷射領域再次得獎,但這次是更快的阿秒雷射,能捕捉到電子運動的超快脈衝雷射。

世界上沒有東西能真正的觸碰彼此?看見電子能帶來什麼突破?

為什麼看見電子的運動那麼重要呢?我們複習一下原子的基本構造,在原子核之外,帶有微小負電荷的電子,被帶正電的原子核束縛住。量子力學告訴我們電子沒有確切的位置,而是以特定的機率分布在原子核周圍的不同地方,也就是所謂的電子雲。

圖/YouTube

雖然電子的體積比原子核小很多,但電子雲的範圍,卻占了原子體積的絕大部分。在物理或化學反應中,真正和其他原子產生交互作用的,幾乎都是這些外面的電子。在電影《奧本海默》中,當男女主角手心貼著手心,奧本海默這時卻說:「世界上沒有東西能真正的觸碰彼此,因為我們觸摸到的物體,都只是其中原子的電子雲和我們手上的電子雲產生的斥力。」

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圖/screenrant

對了,這種話也只有奧本海默跟五條悟可以講,一般人請不要隨便亂牽別人的手。

除了和心儀的他牽手,不同的電子排列狀態也會直接影響物質的化學活性、材料的導電導熱等基本性質,各種化學和物理過程都和電子息息相關。從非常實際的層面來說,電子可以說是物質世界最重要的基本單位。所以不難想像,如果我們能看見電子,甚至獲得可以操縱個別電子排列與能量的技術,我們能真正成為材料的創世神,許多不可能都將化為可能,是相當重大的突破。

捕捉電子運動有多困難?

但要操縱電子可不是什麼簡單的事,不只是因為電子非常小,更重要的是他們動得非常快。具體來說,電子在原子周圍跳動的週期時間尺度大約是十的負十八次方秒,也就是一阿秒。一顆原子的大小約是十的負十次方公尺,速度等於距離除以週期,換算下來,電子雲差不多是以光速等級的速度在原子核周圍跳動。

圖/wikipedia

如果要捕捉到阿秒尺度的電子運動,就必須將實驗的時間解析度也提升到阿秒等級,否則就會像是用長曝光鏡頭拍攝亞運競速滑冰比賽一樣,只能拍到一團糊糊的影像,而沒辦法分出勝負。

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可是,在 1980 年代,脈衝雷射最快只能達到十的負十五次方左右,還只有飛秒等級。而且光靠當時的技術和材料優化,已經沒辦法再縮短脈衝時間了,因此這時候,就要從原理上重新打造一套方法了。

如何製造更快的脈衝?

首先,要製造更快的脈衝並不是用頻率更高的電磁波就好。你想,我們在拍照時,想要讓曝光時間更短,要改善的不是把室內光源從可見光改成頻率更高的紫外光,而是調快快門的開闔速度,讓光一段一段進入感光元件中,變成影片一幀一幀的畫面。而這一段一段進入像機的光訊號,就像是我們的脈衝。

不論是皮秒雷射、飛秒雷射還是阿秒雷射,一直以來在做的都是同一件事,在整體輸出功率不變的情況下,讓每一次脈衝的持續時間更短,同時單一次的功率也會更高。簡單來說,就是要從無數次的普通攻擊,變成每一次都是集氣後再攻擊。

但要怎麼為光集氣呢?光和其他波動一樣,可以和其他波動疊加。把不同頻率的光疊加在一起,波峰和波谷會抵消,波峰遇上波峰則會增強。只要用特定的比例組合許多不同頻率的光,就可以在整體總能量不變的情況下,產生一個超級窄的波峰,其他地方全部抵銷。

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1987 年,本次諾貝爾獎得主之一的 Anne L’Huillier 教授發現,當紅外線雷射穿過惰性氣體時,氣體會被激發放出整數倍頻的光。也就是氣體放出許多不同頻率的光,而這些頻率都是原本光源頻率的整數倍,從兩倍三倍到三十幾倍以上的高倍頻光都有。而橫跨這麼大頻率範圍的光,就能組合出時間長度很短的脈衝光。

不過這聽起來未免也太好康了,真的有那麼簡單嗎?

這個看似魔法的實驗背後其實有著相當簡潔的物理圖像。電子原本是被電磁力束縛在原子中,當一道強度夠強的雷射通過氣體原子,原本抓住電子的電位能被雷射削弱。

雖然這道牆只是矮了一些可是還是存在,但此時,在電子的大小尺度下,量子力學發揮了作用。調皮的電子有機會透過量子穿隧現象,穿過這道束縛,暫時逃離原子核的掌控。關於量子穿隧效應的介紹,我們近期也會再做一集節目來專門介紹。

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但電子還來不及逃遠,雷射光已經從波谷翻到波峰。電磁波的波谷與波峰,不是指能量的高和低,而是指方向相反。因此在相反的電磁場方向下,不幸的電子被推回原子核附近,再度被原子核捕獲。但在這欲擒故縱、七擒七縱的過程後,電子並非一無所獲,他所得到的動能會以光的形式重新放出。

而因為這些能量最早都來自雷射,因此電子放出的光波長,也剛好會是雷射的整數倍。再說的細一些,你可以理解為這些電子在吸收一顆顆光子後,一口氣釋放這些能量,所以能量都是一開始光子的整數倍。

在 1990 年代,科學家已經掌握了這個現象背後的原理。但一直到千禧年過後。這次諾貝爾獎得主之一 Pierre Agostini 教授和他的研究團隊才終於在適當的實驗條件之下,利用高倍頻光打造出了一連串寬度只有 250 阿秒的脈衝。同時第三位得主 Ferenc Krausz 也使用不同方法,分離出 650 阿秒的脈衝。

最後,獲得阿秒脈衝這個祕密武器之後,我們的世界將迎來哪些變化呢?

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阿秒脈衝在各領域的應用

其實啊,有在關注諾貝爾獎都知道,諾貝爾獎通常不會頒給時下正夯的新興研究,前面講的研究,實際上都已經是二十多年前的往事了,而這些辛苦的科學家會在這麼多年後拿下諾貝爾獎的榮耀,正是因為阿秒雷射的發明經過了時間的考驗,成為非常普及的實驗技術,而且被大家公認為重要的科學貢獻。

當然,今年生醫獎的 mRNA 是個超快例外,有興趣的話,別忘了點擊下方影片,看看編劇都編不出來的 mRNA 研究歷程。

說了那麼多,阿秒雷射究竟對人類生活有什麼幫助呢?當然,它能讓我們更深刻了解物質還有光的本質,但是除了幫電子拍下美美的照片放在期刊的封面上,阿秒雷射可以用來做什麼?

在過去這二十年,許多研究已經找到了相當有潛力的應用。

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舉例來說,在醫療方面,阿秒雷射可以用來分析血液或尿液樣本。控制良好的超短脈衝可以精準的刺激生物樣本中的各種有機分子,讓這些分子震動並放出紅外線訊號。如果使用的脈衝長度太長,分子釋放的訊號就很容易和原本施加刺激的雷射混在一起,造成量測的困難。唯有阿秒等級的超短脈衝能夠實現這樣的量測。

這些紅外線光譜就像是質譜儀一樣,能幫助我們快速分析血液中的蛋白質、脂質、核酸等重點物質的關鍵官能基狀態。並透過機器學習的方式整合,成為個人化的健康狀態報表,或是做為診斷的依據,將精準醫療提升到全新的層次。

圖/attoworld

不只如此,發送超短脈衝的技術也可能革新當今的電腦運算。電腦運作的方式就是利用電晶體這種微小的開關,不斷的開開關關去發送一跟零的訊號,所以開關電流的速度便決定了你的運算速度。以半導體為基礎的電晶體,工作頻率通常不超過上百 GHz ,在時間上也就是十的負十一次方秒。

自從阿秒雷射技術普及之後,就有科學家想到:既然雷射脈衝的速度更快,那不如就別用半導體了,改用光學脈衝來控制電流作為運算的媒介。這個概念叫做光學電晶體(Optical Transistor)。

今年初,亞利桑那大學的團隊便發展示了如何利用小於十的負十五次方秒的超短雷射脈衝,來開關電流並傳送一與零的位元,這個頻率比現有半導體電晶體快了一萬倍以上。這顯示了光學方法的操作頻率可以有多快,或許能讓我們突破訊號處理和運算上的速度瓶頸。

看完這些便可以理解,阿秒等級的超快雷射脈衝的確是相當近代的一個科學里程碑。就像是科學革命時望遠鏡和顯微鏡的發明,讓人們看見那些最遠和最小的事物,超快脈衝用最快的時間解析度,讓我們看到許多人類從未看過的景象。

阿秒脈衝雷射的出現,是科學上的一個里程碑,讓我們能用更高的時間解析度,讓我們看到許多過去從未看到的景象。最後也想問問大家,在雷射這一塊,你最期待有哪些應用,或者最希望我們接著來講哪個主題呢?

  1. 為什麼醫美、眼科手術那麼喜歡用飛秒、阿秒雷射,真的有比較好嗎?
  2. 使用雷射脈衝的光學電晶體真的有可能取代傳統電晶體嗎?
  3. 除了光學電晶體,最近很夯的矽光子技術,聽說裡面也有用到雷射,可以一起來介紹嗎?

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參考資料

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PanSci_96
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