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石墨烯再現量子驚奇!

NanoScience
・2012/10/13 ・888字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 516 ・六年級

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美國與德國的物理學家發現石墨烯(graphene)具有不同於其他材料的分數量子霍爾效應(fractional quantum Hall effect, FQHE)。這項發現對於研究相對論性粒子之間的關聯性相當重要,甚至可能協助未來量子電腦的發展。

量子霍爾效應(QHE)是發生在電荷載子(如電子)被侷限在二維平面材料(如石墨烯)上,並且受到垂直平面(Z方向)的磁場作用時。此時若有電流流經X方向,則Y方向會出現一電壓,稱為霍爾電壓。在非常低溫下,電壓值會量化呈現階梯狀,又稱為霍爾態。

分數量子霍爾效應(FQHE)與整數量子霍爾效應不同,其起因為材料中電子間的強烈交互作用。這些交互作用使材料內的電荷載子行為類似帶有分數基 本電荷的準粒子,並遵守所謂的分數統計學(fractional statistics),對未來量子電腦的發展可能有著重要影響。這些交互作用通常也會導致其他重要的集合現象如超導性、磁性以及超流性,因此瞭解此交互 作用在凝態物理中具有根本重要性。

石墨烯是單原子厚的平面碳材料,其電子能以極高速度在材料內運動,行為類似無靜止質量的相對論性粒子。研究人員已經證實石墨烯內的相對論性粒子彼 此間有強烈交互作用,可以透過測量FQHE得知。最近,Amir Yacoby與其哈佛大學及馬克斯-普朗克(Max-Planck)固態物理研究所的合作者發現,石墨烯的FQHE與其他材料不同──其FQHE態具有不 尋常的次序,這是材料內的對稱性所導致的結果。這些霍爾態有助於了解石墨烯內對稱性與電子間交互作用的關連。

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研究人員對懸空的石墨烯樣本施加一磁場,並利用掃描式單電子電晶體(single-electron transistor, SET)進行探測。單電子電晶體是一種非侵入性的局部探測器,能以其他技術無法匹敵的解析度測量材料電子能隙的存在,因此非常適合用來研究FQHE現象。 他們另一個重要發現是,既使巨觀樣本相當髒污,依舊能在石墨烯上找小塊到非常乾淨的區域。

該團隊目前計畫繼續探討石墨烯中不尋常的FQHE,並希望能更瞭解在不同FQHE態中電子如何排序。他們也對相關材料(如雙層石墨烯)中的分數量子霍爾效應感到興趣。詳見近期的Science|DOI: 10.1126/science.1224784。

資料來源:Graphene offers up another quantum surprise. NanoTechWeb [Sep 12, 2012]

譯者:翁任賢(成功大學物理系)
責任編輯:劉家銘

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轉載自 奈米科學網

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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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除了蚯蚓、地震魚和民間達人,那些常見的臺灣地震預測謠言
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/02/29 ・2747字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

災害性大地震在臺灣留下無數淚水和難以抹滅的傷痕,921 大地震甚至直接奪走了 2,400 人的生命。既有這等末日級的災難記憶,又位處於板塊交界處的地震帶,「大地震!」三個字,總是能挑動臺灣人最脆弱又敏感的神經。

因此,當我們發現臺灣被各式各樣的地震傳說壟罩,像是地震魚、地震雲、蚯蚓警兆、下雨地震說,甚至民間地震預測達人,似乎也是合情合理的現象?

今日,我們就要來破解這些常見的地震預測謠言。

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漁民捕獲罕見的深海皇帶魚,恐有大地震?

說到在坊間訛傳的地震謠言,許多人第一個想到的,可能是盛行於日本、臺灣的「地震魚」傳說。

在亞熱帶海域中,漁民將「皇帶魚」暱稱為地震魚,由於皇帶魚身型較為扁平,生活於深海中,魚形特殊且捕獲量稀少,因此流傳著,是因為海底的地形改變,才驚擾了棲息在深海的皇帶魚,並因此游上淺水讓人們得以看見。

皇帶魚。圖/wikimedia

因此,民間盛傳,若漁民捕撈到這種極為稀罕的深海魚類,就是大型地震即將發生的警兆。

然而,日本科學家認真蒐集了目擊深海魚類的相關新聞和學術報告,他們想知道,這種看似異常的動物行為,究竟有沒有機會拿來當作災前的預警,抑或只是無稽之談?

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可惜的是,科學家認為,地震魚與地震並沒有明顯的關聯。當日本媒體報導捕撈深海魚的 10 天內,均沒有發生規模大於 6 的地震,規模 7 的地震前後,甚至完全沒有深海魚出現的紀錄!

所以,在科學家眼中,地震魚僅僅是一種流傳於民間的「迷信」(superstition)。

透過動物來推斷地震消息的風俗並不新穎,美國地質調查局(USGS)指出,早在西元前 373 年的古希臘,就有透過動物異常行為來猜測地震的紀錄!

人們普遍認為,比起遲鈍的人類,敏感的動物可以偵測到更多來自大自然的訊號,因此在大地震來臨前,會「舉家遷徙」逃離原本的棲息地。

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當臺灣 1999 年發生集集大地震前後,由於部分地區出現了大量蚯蚓,因此,臺灣也盛傳著「蚯蚓」是地震警訊的說法。

20101023 聯合報 B2 版 南投竹山竄出蚯蚓群爬滿路上。

新聞年年報的「蚯蚓」上街,真的是地震警訊嗎?

​當街道上出現一大群蚯蚓時,密密麻麻的畫面,不只讓人嚇一跳,也往往讓人感到困惑:為何牠們接連地湧向地表?難道,這真的是動物們在向我們預警天災嗎?動物們看似不尋常的行為,總是能引發人們的好奇與不安情緒。

如此怵目驚心的畫面,也經常成為新聞界的熱門素材,每年幾乎都會看到類似的標題:「蚯蚓大軍又出沒 網友憂:要地震了嗎」,甚至直接將蚯蚓與剛發生的地震連結起來,發布成快訊「昨突竄大量蚯蚓!台東今早地牛翻身…最大震度4級」,讓人留下蚯蚓預言成功的錯覺。

然而,這些蚯蚓大軍,真的與即將來臨的天災有直接關聯嗎?

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蚯蚓與地震有關的傳聞,被學者認為起源於 1999 年的 921 大地震後,在此前,臺灣少有流傳地震與蚯蚓之間的相關報導。

雖然曾有日本學者研究模擬出,與地震相關的電流有機會刺激蚯蚓離開洞穴,但在現實環境中,有太多因素都會影響蚯蚓的行為了,而造成蚯蚓大軍浮現地表的原因,往往都是氣象因素,像是溫度、濕度、日照時間、氣壓等等,都可能促使蚯蚓爬出地表。

大家不妨觀察看看,白日蚯蚓大軍的新聞,比較常出現在天氣剛轉涼的秋季。

因此,下次若再看到蚯蚓大軍湧現地表的現象,請先別慌張呀!

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事實上,除了地震魚和蚯蚓外,鳥類、老鼠、黃鼠狼、蛇、蜈蚣、昆蟲、貓咪到我們最熟悉的小狗,都曾經被流傳為地震預測的動物專家。

但可惜的是,會影響動物行為的因素實在是太多了,科學家仍然沒有找到動物異常行為和地震之間的關聯或機制。

遍地開花的地震預測粉專和社團

這座每天發生超過 100 次地震的小島上,擁有破萬成員的地震討論臉書社團、隨處可見的地震預測粉專或 IG 帳號,似乎並不奇怪。

國內有許多「憂國憂民」的神通大師,這些號稱能夠預測地震的奇妙人士,有些人會用身體感應,有人熱愛分析雲層畫面,有的人甚至號稱自行建製科學儀器,購買到比氣象署更精密的機械,偵測到更準確的地震。

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然而,若認真想一想就會發現,臺灣地震頻率極高,約 2 天多就會發生 1 次規模 4.0 至 5.0 的地震, 2 星期多就可能出現一次規模 5.0 至 6.0 的地震,若是有心想要捏造地震預言,真的不難。 

在學界,一個真正的地震預測必須包含地震三要素:明確的時間、 地點和規模,預測結果也必須來自學界認可的觀測資料。然而這些坊間貼文的預測資訊不僅空泛,也並未交代統計數據或訊號來源。

作為閱聽者,看到如此毫無科學根據的預測言論,請先冷靜下來,不要留言也不要分享,不妨先上網搜尋相關資料和事實查核。切勿輕信,更不要隨意散播,以免造成社會大眾的不安。

此外,大家也千萬不要隨意發表地震預測、觀測的資訊,若號稱有科學根據或使用相關資料,不僅違反氣象法,也有違反社會秩序之相關法令之虞唷!

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​地震預測行不行?還差得遠呢!

由於地底的環境太過複雜未知,即使科學家們已經致力於研究地震前兆和地震之間的關聯,目前地球科學界,仍然無法發展出成熟的地震預測技術。

與其奢望能提前 3 天知道地震的預告,不如日常就做好各種地震災害的防範,購買符合防震規範的家宅、固定好家具,做好防震防災演練。在國家級警報響起來時,熟練地執行避震保命三步驟「趴下、掩護、穩住」,才是身為臺灣人最關鍵的保命之策。

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超壓縮的水會變成冰?!二維奈米薄冰能在室溫下穩定存在嗎?有什麼用途?——專訪中研院原分所謝雅萍副研究員
研之有物│中央研究院_96
・2024/03/10 ・4907字 ・閱讀時間約 10 分鐘

本文轉載自中央研究院「研之有物」,為「中研院廣告」

  • 採訪撰文|張琬婷
  • 責任編輯|簡克志
  • 美術編輯|蔡宛潔

水能被擠壓成冰?

水在攝氏零度以下會結冰。然而,當水被擠壓到極限時,會形成二維的奈米薄冰,不僅室溫下穩定存在,還有從未見過的鐵電特性(Ferroelectricity),而石墨烯則是實現這種擠壓條件的關鍵。中央研究院「研之有物」專訪院內原子與分子科學研究所的謝雅萍副研究員,她與我們分享了實驗室如何意外發現這層特殊的二維薄冰,以及團隊如何利用二維薄冰的鐵電特性製作有記憶電阻功能的奈米元件,研究成果發表在科學期刊《自然通訊》(Nature Communications)。

奈米尺度下,物質特性會跟著改變?

謝雅萍的主要研究題目之一就是合成新穎的二維材料,這是奈米科技的領域。奈米是什麼?奈米(nanometer)是長度單位,即 10-9 公尺,一根頭髮的直徑長度約為 1 奈米的十萬倍。奈米尺度之下,很多物質的特性會隨之改變,最常見的例子是「蓮花效應」,因為蓮花葉上具有奈米等級的表面結構,為蓮葉賦予了疏水與自我清潔的特性,髒污與水珠都不易附著在蓮葉上。

電腦模擬圖(左)和實際照片(右),蓮葉上密集的微小突起,讓大顆的水珠和灰塵不易附著,這讓蓮葉具有疏水與自我清潔的特性。
圖|William ThielickeGJ Bulte

奈米材料(nanomaterial)是指三維尺寸的材料,至少有一個維度的尺寸小於 100 奈米。只縮小一維,就是平面的二維材料(2D),例如石墨烯;縮小兩個維度,就是奈米線(1D);三維都縮小,就是零維的奈米顆粒(0D)。

奈米科技(nanotechnology)的概念最早可追溯到 1959 年美國物理學家理查費曼(Richard Feynman)在演講中提出的願景「為什麼我們不能把大英百科全書全部寫在一根針頭上呢?」。1974 年日本科學家谷口紀男則是首度創造「奈米科技」這個詞的人,他認為奈米科技包括原子與分子層次的分離、固定與變形。

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過去有不少科學家嘗試奈米材料的研發,但受限於製造技術不成熟,而無法順利製作出精細製程的奈米材料。1981 年,在掃描隧道顯微鏡(Scanning Tunneling Microscope, STM)發明之後,不僅有助於材料的微觀分析,操縱單個原子和分子也成為可能,奈米科技也逐漸實現。

2013 年 IBM 研究人員使用 STM 顯微鏡將上千個一氧化碳分子製作成原子等級的動畫「男孩與他的原子」,目前是金氏世界紀錄最小的定格影片。

無處不在的奈米科技?

我們生活周遭的奈米科技俯拾即是,從大賣場商品到半導體產業的電子元件都有。謝雅萍舉例:防曬霜之所以是白色,是因為裡面有二氧化鈦的奈米顆粒;許多塗料與噴漆亦會以奈米添加物,來增進耐蝕、耐磨、抗菌與除汙的特性,例如汽車鍍膜或奈米光觸媒;羽球拍或牙醫補牙會使用奈米樹脂,讓球拍和補牙結構更堅固。

至於半導體產業,奈米科技更是關鍵。透過縮小元件尺寸以及調整奈米元件的幾何形狀,以便於在單一晶片上乘載更多電晶體。「當今的電晶體大小皆是奈米等級,製作電子元件就等同在處理奈米科技的問題」,謝雅萍說道。

IBM 展示 5 奈米技術的矽奈米片電晶體(nanosheet transistors),圖中堆疊起來的一顆顆橢圓形結構是電子通道的截面,IBM 設計立體結構以因應愈來愈小的元件尺寸。
圖|IBM

實驗中的難題,反而促成驚奇發現?

鐵電性是什麼?二維奈米薄冰有哪些可能的應用方式?

對謝雅萍來說,發現二維的奈米薄冰是個意外的驚喜。最初謝雅萍團隊其實是要製作以石墨烯為電極的開關,畢竟石墨烯是實驗室的主要研究項目,理論上當兩層石墨烯很靠近時,分別給予兩端電壓會是導通的「ON」狀態,沒電時就是斷開的「OFF」狀態。

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然而,實驗過程中團隊卻發現當電壓為零時,石墨烯開關仍會導通,甚至要給予負電壓時才會成為 OFF 狀態。這個奇特的現象讓研究團隊苦惱許久,嘗試思考了各種可能性,但都無法完善的說明此現象。

「原本以為實現石墨烯開關應該是一件能夠很快完成的題目,沒想到過程中卻出現了這個意料之外的難題,因此這個研究比預期多花了一兩年」,謝雅萍無奈地笑道。

靈感總是突如其來,某次謝雅萍在與朋友討論研究時,突然想到一個可能的方向:「一直以來都有人猜測水是否為鐵電材料,但都沒有真正證實。臺灣氣候潮濕,開關關不緊會不會就是水的影響?」

設計實驗跑下去之後,謝雅萍團隊終於擺脫了一直以來的疑雲。原來,兩層石墨烯結構中,真的有水分子的存在!「一般水分子用手去捏,還是會維持液體的狀態。但是我們發現,當水被兩層石墨烯擠壓到剩下原子厚度時,水分子就會變成具有鐵電特性的二維薄冰!」,謝雅萍開心地說道。

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換句話說,當極限擠壓之下,水會結成冰,而這層超薄的平面奈米薄冰會轉變成鐵電材料,而且可以在室溫下穩定存在!

示意圖,當水受到兩層石墨烯的極限擠壓之下,會形成單原子厚度的二維奈米薄冰,這層薄冰是鐵電材料,而且可以在室溫下穩定存在。
圖|之有物(資料來源|謝雅萍)

鐵電材料乍聽之下很抽象,謝雅萍表示:「相較於會吸磁鐵的鐵磁材料,大多數人對鐵電材料比較不熟悉,其實概念十分相似」。她說,鐵磁材料經過外加磁場的「磁化」之後,即使不加磁場仍可維持原本的磁性。相對地,鐵電材料經過外加電場的「極化」之後,即使不加電場仍可維持原本的電荷極化方向。

謝雅萍團隊發現的二維冰具有鐵電性,這意味著水分子的正負極在外加電場之下會整齊排列,形成一個永久的電偶極,並且在電場消失後保持不變。

鐵電材料經過外加電場的「極化」之後,即使不加電場仍可維持原本的電荷排列方向。圖片顯示為順電狀態,極化方向和外加電場相同,箭頭表示每一小塊區域(Domain)的平均極化方向。
圖|之有物(資料來源|Inorganics

接著,謝雅萍發現,二維冰的鐵電性只存在於單層原子,增加多層原子之後,鐵電性會消失,變成普通的冰,這是因為多層原子的交互作用會打亂原本的極化排列。因此研究團隊發現的二維冰,是非常特殊的固態水,不是手搖飲加的冰塊那麼簡單。

因為石墨烯的擠壓和固定,二維冰可以在室溫下穩定存在,不會蒸發。謝雅萍團隊實驗發現,要升溫到攝氏 80 度,被夾住的二維冰才會變成水。如此大範圍的操作溫度,這讓謝雅萍開始思考將二維冰作為鐵電材料使用的可能性。

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於是,謝雅萍團隊嘗試開發新型的電子元件,他們將二維冰與石墨烯整合成機械式的奈米開關。由於二維冰具有鐵電特性,在施加不同外加電壓之後,元件可以維持上次操作的電阻值,並保留至下次操作,有這種特性的元件稱為「憶阻器」(memristor)。

憶阻器這個詞是由記憶體(memory)與電阻(resistor)組合而成,字面上的解釋便是:具備記憶先前電阻值的能力。

謝雅萍表示:「我們可以藉由不同的外加大電壓寫入電阻值,再以微小電壓讀取之前的電阻值,允許快速存取」。而單獨一個二維冰奈米開關可以記住 4 個位元的資料,具備未來記憶體的發展潛能。

此外,二維冰奈米開關也是很好的開關裝置,團隊驗證導通電流和截止電流的比值可以達到 100 萬,開路和斷路的功能極佳,並且允許雙向操作。而開關的功能經過 1 萬次循環還不會衰減,相當穩定。

謝雅萍團隊是全世界第一個證實二維薄冰鐵電性的團隊,並實現第一個以石墨烯為架構的二維冰機械式憶阻器。她的團隊將往新穎二維材料的方向繼續邁進,目前實驗室有和台積電(TSMC)合作,希望透過產學合作,將更多奈米技術的應用落地實現。

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謝雅萍與研究團隊用意外發現的二維奈米薄冰,以石墨烯為架構,做出了全世界第一個機械式的憶阻器。
圖|之有物

與二維材料實驗的相遇?

謝雅萍目前除了是中研院原分所的副研究員,同時也是國立臺灣大學 MY Lab 實驗室的共同主持人,她和人生伴侶 Mario Hofmann 教授共同指導的 MY Lab 發揮了 1+1>2 的效果,創意與想法的激盪和交流,是產生傑出研究的關鍵。

回到碩博士時期,謝雅萍都在臺大物理所,鑽研材料的光電性質與新穎光電元件的機制。她回憶:「當時我們都要向化學系要材料,他們給什麼我們就得用什麼,但難以了解整個材料製造的細節。」後來她體認到,擁有製造材料的調控能力才能真正突破元件設計上的侷限。

謝雅萍在博士班時申請到了千里馬計畫,讓臺灣博士生獲得國科會補助前往國外頂尖研究機構,進行為期約半年至一年的研究。「我認為這個計畫非常好,也可以幫助學生建立重要人脈!」在指導教授引薦下,謝雅萍因緣際會進入美國麻省理工學院(MIT)的二維材料實驗室,自此與二維材料結下不解之緣,她認為:「好材料與好元件是相輔相成的,前瞻材料更是如此。」

「我到了 MIT 之後,深刻體悟到他們做研究的態度與臺灣學生的不同。臺灣學生像是把研究當作一份工作,然而我在 MIT 時就感受到他們學生對於自身研究的熱忱。討論風氣也非常盛行,學生之間會互相分享自己的研究內容,互相幫忙思考、激盪出新想法」,謝雅萍分享自己在 MIT 時期的觀察。

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當年二維材料還在萌芽階段,她所在的 MIT 實驗室已是此領域的佼佼者,她也因此立下了目標:「希望未來我有能力時,能夠自己掌控自己的材料做出好元件!」如今,謝雅萍正走在自己目標的道路上,過去認識的朋友也都是各頂尖大學的二維材料實驗室主持人,直到現在都還會互相幫忙。

從物理到二維材料,身處這些男性為主的學術環境,謝雅萍顯得自在,而且積極參與討論和交流。「我發現女科學人會把自己變得較中性,讓自己融入整個以男性居多的環境中,才不會在團體中有突兀的感覺」,她分享道。

謝雅萍的實驗室 MY Lab,是與臺大物理系 Mario Hofmann 教授共同主持的奈米科技實驗室,他們除了是工作上的夥伴,更是人生中的最佳拍檔!當初兩人就是在美國麻省理工大學 MIT 相識,再一起回到臺灣。

讓「研之有物」團隊好奇的是:這種共同主持的模式與一般實驗室相比,是否有特別之處?

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「從多個面向而論,我認為都是 1+1>2 的」,謝雅萍說道,「實驗室會有兩倍的資源、儀器、計畫與兩倍的人脈。遇到一個題目,兩個人思考時會從不同的觀點切入。即便是夫妻,我們在研究上看的面向也都不一樣,因此可以激盪出許多有趣的想法」。

她補充,不僅對實驗室本身而言,對學生也有很大的好處,「因為學生的研究必須同時說服我們兩個人,代表學生的研究成果會非常扎實,也可以為學生帶來信心。」重要的是,「學生也會得到兩倍的照顧與關愛,我覺得我們的學生是蠻幸福的」,謝雅萍笑笑地說。

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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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搭上量子科技熱潮,「量子系統推動小組」帶領臺灣站穩腳步
研之有物│中央研究院_96
・2023/04/14 ・7886字 ・閱讀時間約 16 分鐘

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本文轉載自中央研究院「研之有物」,為「中研院廣告」

  • 採訪撰文/郭雅欣
  • 責任編輯/簡克志
  • 美術設計/蔡宛潔

臺灣量子科技的未來

量子科技腳步不遠了,臺灣甚至為此成立了「量子國家隊」。我們身處這轉變的時刻,應該先做好準備,了解量子科技究竟包含哪些部分,又會帶來哪些影響。中央研究院應用科學研究中心張文豪特聘研究員長期研究光量子技術,並擔任量子系統推動小組執行長。

在這次中研院「研之有物」的訪談中,張文豪除了帶領我們認識光量子技術裡的關鍵外,也會談談量子國家隊在忙些什麼?能否在這股量子科技發展的浪潮中,帶領臺灣站穩腳步?

中研院應科中心的張文豪特聘研究員,目前擔任量子系統推動小組執行長。圖/研之有物

量子科技即將走入你我的生活。有一天,我們將打開以量子位元建構的量子電腦,透過量子演算法進行各種計算,並把資訊用量子傳輸的方式傳遞出去。這樣的日子可能不遠了~

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為了因應量子科技時代的來臨,行政院去(2022)年 3 月宣布成立「量子國家隊」,由 17 個產學研團隊組成,包含了通用量子電腦硬體技術、光量子技術、量子軟體技術與應用開發這三大領域。同時亦成立「量子系統推動小組」進行跨部會整合,協助國家隊達成目標。

通用量子電腦硬體技術,是指開發以量子位元作為運算位元的量子電腦,在概念上接近一般電腦,有一個 CPU,有控制、讀取的晶片,可以透過程式設計得到你想做的計算。中研院的陳啟東研究員陳應誠研究員都是此領域的計畫主持人之一。

量子軟體技術與應用開發,顧名思義是軟體及演算法的開發,也包含未來量子電腦裡必須有的量子糾錯設計,以及量子計算的應用開發,如金融、製藥與材料開發等。中研院的鐘楷閔研究員是這領域的計畫主持人之一。

光量子技術,分為「光量子計算」與「量子通訊」。光量子計算是以光作為量子位元而設計的計算系統,而量子通訊則是以光的量子態來傳遞訊息。

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中研院應科中心特聘研究員張文豪長期研究光量子技術,並擔任量子系統推動小組執行長。在這次「研之有物」的訪談中,張文豪深入淺出地介紹了光量子技術,也與我們分享了許多量子國家隊的願景。

  • 在量子國家隊的三大領域中,您的專長在光量子計算與量子通訊。請問光量子計算與通用量子電腦有何不同?

光量子計算系統是針對特定問題而設計,當一個光量子系統設計好之後,由於光的晶片、路徑等都已經確定下來,無法中途改變,所以,它就只能對同一種問題做計算。光量子計算的困難在於光會跑,而且是用光速在跑,不會回頭。

也就是說,光子不會中途停止,一定會把整個計算做完。所以它跟一般的量子位元不一樣,一般的量子位元做完計算可以恢復原來的狀態。光子跑完就沒了,無法暫存,如果要重啟計算,要再給予新的光子。光量子計算對於一些傳統電腦難以解決問題,例如最佳化以及取樣的問題,有很大的幫助。

  • 量子通訊用的也是光量子技術,它和現在以光纖傳輸資訊,有什麼不同?

過往的光通訊是用「有沒有光」來當 0 跟 1 兩種狀態,量子通訊則是用光的量子態來當 0 跟 1,把訊息全部都用量子態編碼,這就是量子通訊的基本概念。而量子通訊的好處是因為竊取的動作會干擾量子態,因此資訊不容易被竊取,或者說外人無法在不被發現的情況下竊取資訊。這種通訊方式可以透過量子的性質本身,來保護資訊安全。

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量子加密的概念如上影片,Alice 要傳訊息給 Bob 之前,會先發送解密訊息的量子金鑰給 Bob,這個金鑰是由一顆顆光子構成,每顆光子都被賦予不同的偏振方向和順序。因為駭客無法與 Alice 逐個比對光子的偏振,竊取資訊時會干擾原本的量子態,導致接收端結果異常,Alice 和 Bob 會發現有人在竊聽。影/YouTube
  • 意思是說,量子通訊的發展不是為了讓資訊傳輸得更快,而是為了更安全?

對,其實這也牽涉到量子電腦的發展。因為量子電腦的一個重點,就是可以破解現今最常使用的密碼系統 RSA(知名的非對稱加密演算法)。雖然量子電腦可能不會那麼快發展出來,可能還要再等幾十年,但仔細想想,有沒有什麼資料其實必須保密幾十年呢?

有心人士可以現在就先截取訊息,等幾十年後有了量子電腦再來進行破解。基於這個原因,量子通訊的加密技術必須走得比量子電腦更快才行。

  • 量子通訊現在發展到什麼程度了?有什麼困難點?

在目前的各種量子技術中,量子通訊應該是發展最快的,它有一些難度,但沒有量子電腦那麼難。很好的量子通訊系統,要有好的單光子光源、高效率的偵測器,以及不會破壞量子態的傳輸通道。

好的單光子光源以及偵測器都不容易製作,但是因為量子通訊很重要,所以大家開始用替代的光源,比如把雷射光降到非常弱,弱到一次只會跑出一顆光子,偵測器的效率可能也只要六七成。這樣的話,儘管不是那麼完美,但還是可以得到量子通訊的好處。

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傳輸通道則是另一個困難點。訊息在傳輸過程中會慢慢衰減,所以目前的光纖每隔一段距離都有放大器,但放大器卻會對量子訊號造成干擾。清華大學褚志崧副教授團隊,為量子國家隊光量子研究團隊之一,他們就在進行這方面的研究,透過推動小組協助與中華電信建立合作,接下來就要在新竹、楊梅之間找到一條沒有經過放大器的光纖進行長距離量子通訊測試。

還有一種發展趨勢,就是往天上走,以衛星或低軌衛星來做量子通訊,這也是另一個較不受干擾的做法。

清華大學褚志崧副教授(左1),在量子推動小組的協助整合下,預計在新竹、楊梅之間找到一條沒有經過放大器的光纖進行長距離量子通訊測試。圖/工程科技推展中心

單量子的重要挑戰

量子通訊光源即便有點不盡完美,但仍可接受,不過光量子計算就不行了。光量子計算必須有良好的單光子光源及高效率的偵測器,才能正確地讓光子在系統中進行運算,並準確偵測輸出的結果。因此,「如何製造出好的單光子光源?」是張文豪以及其他光量子研究團隊的重要挑戰。

單光子光源指的是「一個時間點只會放出一個光子」的光源。從原理來說,這樣的光源是一個單一的二能階系統,也就是「基態—激發態」,當一個位於基態的電子獲得能量,躍遷到激發態,然後從激發態掉回基態時,就放出一顆特定波長的光子。

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單光子光源是一個二能階系統,每次只能放出一顆光子。圖/研之有物(資料來源|Scientific Reports

在這樣的二能階系統中,只要有一顆電子躍遷到激發態,在它還沒掉回基態前,我們無法激發另一顆電子到激發態去,張文豪形容:「所以這就像捷運的閘門,前一個沒過去之前,後一個進不來。」也因為這樣的機制,每次就只能放出一顆光子。

那麼,要在哪裡找到這樣的二能階系統呢?科學家最一開始的想法是用「單一原子」,例如鈉原子。但要把單一個原子分離出來太困難了,所以到了公元 2000 年後,科學家轉而從半導體製程上,尋找製造出單光子光源的「人造系統」,而目前有兩種最主要的做法,一個是製造「量子點」,一個是製造「缺陷」。

量子點是利用半導體製程做出的一個小體積物體,通常是將兩種不同材料疊起,因為彼此間的應力而凸起成一個「島狀物」,外面再用另一種材料包覆。這個島狀物裡面會產生類似於原子的能階,所以也被稱為「人造原子」。

除此之外,在晶體中製造出某些特定的缺陷,也能達到單一光子源的效果。這類缺陷中最常見的就是鑽石裡的「NV center」,意思是在鑽石晶體結構中,其中一個碳由氮(N)取代,這個氮的隔壁又有一個碳被拿掉,出現一個空缺(Vacuum)。這樣的缺陷裡也會產生上述的二能階系統,可以如單一原子、量子點一樣,放出單光子。

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在鑽石晶體結構中,原本都是碳原子,如果其中一個碳由氮(N)取代,這個氮的隔壁又有一個空缺(Vacuum),這樣的材料缺陷系統可以放出單光子。圖/Quantum Beam Sci.
  • 是否可以比較量子點與材料缺陷這兩種做法,各有什麼優缺點?

目前為止做得最好的單光子光源其實是量子點,可以產生幾乎完美的單光子,但是它必須在低溫環境下才能運作。而材料缺陷則大部分可以在室溫下運作。

我們還必須考慮單光子光源所放出的光子,是否處於我們需要的波段。舉例來說,在目前的光纖裡,光波長約在 1310~1550 奈米,因為這是損耗很低的波段。而前述的鑽石 NV center 產生的光,則固定是 600 多奈米的紅光,波長還不夠貼近光纖傳輸波段。

現在有許多團隊,都在嘗試從鑽石裡製造出其他缺陷,以符合光纖傳輸的波段,也有人開始嘗試其他材料,例如被稱為第三代半導體的碳化矽。

  • 單光子光源未來還會往哪個方向發展?理想的單光子光源是什麼樣子?

我們也希望單光子光源,可以用脈衝來激發,讓光子出現的時間差都是固定的。脈衝雷射激發是像機關槍一樣,一打開光子就以相同的間隔,源源不絕地出來。更理想的情況是,我們如果能把單光子光源做成電激發的元件,就可以在我想要有光子的時候,就打出一道脈衝,產生一個光子。

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以目前的半導體製程,有成功做到過打一道脈衝、換一個光子的過程,但必須在低溫操作,效率也不理想。

  • 您的研究團隊最近嘗試以二維材料製造單光子光源,這部分目前有什麼進展?

我們最近使用的二維材料是六方晶格的氮化硼(hBN),用來做室溫的單光子光源。氮化硼蠻有趣的,就像二維的鑽石,寬能隙又是絕緣體,不太和其他東西起作用,裡面的缺陷也會形成單光子。

我們幾年前跟台積電合作,用化學氣相沉積(CVD)做出晶圓尺寸的大面積氮化硼,並發表在《自然》Nature)期刊上。我們未來可以透過這技術進行「缺陷工程」,也就是控制在哪裡製造出缺陷,產生單光子輻射的陣列。例如用聚焦離子束打掉其中某些位置的原子.再透過熱處理修復。先破壞再建設,才能產生缺陷。這個技術以目前來說,還是很有挑戰性。

  • 二維材料最近似乎有愈來愈火紅的趨勢?

在過往的傳統半導體研究中,往往將二維材料當成垃圾,不過現在,垃圾變成黃金了。以前這種材料是被用來當固態潤滑劑,因為層與層之間很容易剝落、滑動,根本沒甚麼用處。

但自從石墨烯出現之後,大家才意識到二維材料的好處,而且何必一定要用石墨烯?有一大堆半導體材料都是這樣一層一層的,把它們拿來做電子元件不是更好?所以現在很多人都在做二維半導體材料。

張文豪向研之有物團隊介紹單光子光源的測量方式。圖/研之有物

抓到了!真的是單一光子!

儘管有了製造單光子光源的方法,但該如何確認放射出來的是單一光子呢?

張文豪解釋,單光子的定義是同一時間點只放出一個光子,「所以是同一時間只有一顆,並不是真的只放出一顆。」換句話說,光子其實是像機關槍一樣,源源不絕地一直從光源放射出來的,而且每個光子之間的時間間隔也並不平均。

測量是否為單光子的方法稱為「HBT 實驗裝置」,包含一個分光鏡、兩個偵測器(D1 與 D2),以及一個可以決定要啟動計時或停止計時的計時器。

HBT 實驗裝置示意圖。圖/研之有物

當每一個光子遇到分光鏡時,會隨機前往 D1 或 D2,如果 D1 偵測到光子,計時器就會開始計時;如果 D2 偵測到光子,則會停止計時。因為光子是隨機前往 D1 或 D2,所以每一次停止計時,可能測到是兩個、三個、或四個……不等的光子出發間隔時間。

如果有兩個光子是同時出發,且它們正好分別通過 D1、D2,那麼就會測到一組間隔時間為 0 的數據。所以相反的,如果測量出的結果中,完全沒有間隔時間為0的數據,就可以確認光源是單光子光源

HBT 裝置的量測數據示意圖,可以確認光源是否為單光子光源。如果兩光子的時間差(延遲時間)為 0 秒,符合計數也是 0,則可以確認該光源為單光子光源。圖/研之有物(資料來源|科儀新知

張文豪指出,HBT 實驗裝置要準確,也考驗兩個偵測器的敏銳度。「目前效率最好的是用超導體來做偵測器,不過這樣的話,偵測器也得在低溫環境。」

  • 除了單光子光源與偵測器外,光量子計算還需要哪些相關的技術配合?

光量子計算還是必須在光量子晶片上運作,用的是積體光學,就像積體電路一樣,只是用波導取代電線、光子取代電子。這其中的製程必須讓光能在晶片裡前進、轉彎,做一些操作。中央大學陳彥宏特聘教授的團隊,是量子國家隊光量子研究團隊之一,主要工作就是開發光量子晶片

陳彥宏團隊所研發之光量子位元晶片。圖/陳彥宏
陳彥宏團隊預計於 2023 年開發能執行容錯式秀爾演算法之光學量子運算晶片。圖/陳彥宏
  • 臺灣發展量子科技的前瞻性或潛力如何?我們有什麼優勢?

臺灣早期生產很多電腦,當時我們做的事情主要是零組件的開發、組裝,所以我常笑稱是一種「偽高科技組裝業」。可是臺灣現在已經不一樣了,臺灣從這個組裝業,慢慢掌握關鍵的製程,當產業供應鏈整個建構起來之後,現在變成了全世界很重要的製造中心。

如果未來量子電腦量產,臺灣絕不可能缺席,也不能缺席。為此,我們必須知道,從零到有把一臺量子電腦建構起來需要多少技術。這是一個龐大的系統工程,需要各種人才與技術。我們要知道每個技術細節,才會知道國內各研究單位、法人,以致於工研院、經濟部和產業界,各自可以扮演什麼角色。

  • 成立國家隊來發展量子科技,是為了整合資源的考量?

因為我們的人力與資源都有限,所以必須透過整合的方式,各團隊做自己擅長的部分,再用系統整合把大系統建構起來。最重要的目的,是在每一個環節把技術與人才建立起來。

我們推動小組還找了中研院天文所的王明杰研究員來當總工程師,他負責連結各團隊的不同技術,橫向整合。為什麼找上天文背景的王明杰博士?這很有趣。

第一個原因在於王明杰是超導材料與偵測器的專家,因為天文觀測裡要偵測很微弱的訊號,他們必須要發展非常靈敏的偵測器。

第二個原因是,天文研究都是國際性的大團隊,例如蓋一座大型天文台,各國不同的單位個別負責開發部分技術且為了同一個目標努力,需要有總工程師來連結各團隊所開發的技術,透過系統工程變成最後的系統。做天文觀測的人比較有這樣跨團隊組大系統的經驗,所以我們就請他來協助。

  • 量子科技現在還沒有發展出產業,培養出的人才怎麼辦?

量子科技並不是全新的技術,而是範圍很廣的跨領域技術,所以你學會了這些技術,仍然可以在現有的科技產業發揮所長。等到有一天公司需要投入量子科技的時候,儘管公司老闆可能沒有量子的知識和概念,但公司裡有這些背景知識的人才就可以立即參與。

所以人才是最重要的,我們必須現在就開始把量子的 DNA 植入產業界。如果等需求出現才開始培育人才,就來不及了。

  • 中研院預計在南部院區建立量子研發基地,可否談談這部分的規劃?

我們預計在 2023 年下半年進駐南部院區的研究大樓 II,建置一些製程與量測的核心設施。此外,還會蓋一棟「量子實驗大樓」,主要做一些精密的量測,也包含一部分精密製程。

未來,這個量子研發基地將會是一個提供國內產學研單位進行量子科技研究的基地,所建置的核心設施也將開放給其他研究團隊進駐使用進行研發,有點類似國家同步輻射中心,透過建置一個大型的量子科技實驗場域,讓需要的國內外團隊共同使用。

這也是希望能橫向、縱向整合資源,不要重複投資。畢竟我們資源有限,應該集合大家的力量,攜手共同邁向臺灣量子新世代。

延伸閱讀

  1. 量子系統推動小組網站
  2. 工程科技推展中心(2023)。〈【多功能量子通訊網路】 褚志崧副教授|國立清華大學物理學系〉,YouTube。
  3. Lodahl P., Ludwig A., & Warburton R.(2022)。〈決定性的單光子源〉(張鳳吟翻譯), 《物理雙月刊》。
  4. 王志洋、陳啟東(2021)。〈量子世代產學佈局〉,《科學人》。
  5. 科技魅癮(2022)。〈量子新時代|全國70位科學家的超強大腦,如何一起推動量子計畫〉,YouTube。
  6. 陳彥宏(2021)。〈量子光電晶片將延續臺灣半導體晶片的榮耀〉,《臺灣研究亮點》。
  7. 郭雅欣(2019)。〈量子電腦到底有多霸氣?即將引爆終極密碼戰?!〉,《研之有物》。
  8. 林婷嫻(2017)。〈量子電子元件 hen 夯,但如何掌握像情人心難測的量子位元?〉,《研之有物》。
  9. 張文豪、徐子民(2006)。〈半導體量子光學〉, 《物理雙月刊》。
  10. 張文豪、徐子民(2004)。〈單量子點光譜技術的介紹與應用〉,《科儀新知》。
  11. Gillis, A. S. (2022, January 28). quantum cryptography. TechTarget.
  12. Shaik, A. B. D. a. J. W. I., & Palla, P. (2021). Optical quantum technologies with hexagonal boron nitride single photon sourcesScientific Reports, 11(1).
  13. Ishii, S., Saiki, S., Onoda, S., Masuyama, Y., Abe, H., & Ohshima, T. (2021). Ensemble Negatively-Charged Nitrogen-Vacancy Centers in Type-Ib Diamond Created by High Fluence Electron Beam IrradiationQuantum Beam Science, 6(1), 2.
  14. Chen, T. A., Chuu, C. P., Tseng, C. C., … Chang, W. H., & Li, L. J. (2020). Wafer-scale single-crystal hexagonal boron nitride monolayers on Cu (111)Nature, 579(7798), 219–223.
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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