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別懷疑,Google 真的知道你在想什麼! 蜂鳥演算法如何提升人類的搜尋體驗?

Abby T
・2021/08/26 ・4467字 ・閱讀時間約 9 分鐘

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打開 Google 輸入「水煮蛋」,Google 會知道,你是想了解「水煮蛋的煮法」,並且快速地給出你想要的答案。

或是只輸入「麵包店」,Google 就會自動推測,你是想找附近的麵包店。因此會依照你的網路所在位置,優先提供附近麵包店的資訊。

能有以上更方便的搜尋方式,和更能滿足使用者需求的搜尋結果,都是蜂鳥演算法加強「語意判讀」和更理解「搜尋意圖」的功勞。

搜尋引擎的基本原理,分別是爬文(Crawling)、收錄 (Indexing)和排名(Ranking)三步驟。首先必須透過爬文蒐集資料,再把這些資料收編和儲存進 Google 的資料庫,最後則是網站經營者或 SEO 專家最關心的排名步驟──也就是 Google 如何決定哪些資料要優先推薦給使用者。

而演算法就像是為上述整個過程套上一個公式,不同公式能導出不同計算過程和結果,連帶影響 Google 給出的搜尋結果,比如「咖啡因演算法」改變了網頁收錄的方式,「熊貓演算法」則大大提升網頁內容品質。那,蜂鳥演算法帶來哪些影響呢?

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蜂鳥演算法:讓「搜尋意圖」判斷更進化

蜂鳥演算法(Google Hummingbird)是Google 演算法歷屆演變中,相當重要的變革之一,因為它並非只針對舊有的演算法做出些微調整,而是一口氣替換掉演算法的核心,不過也同時保留了部分舊有演算法的元素。

在蜂鳥演算法出現以前,Google 本來只會從搜尋字串中抓出幾個關鍵字,判斷各個字詞字面上的意思,再從資料庫中找出有關鍵字詞的資料。例如:使用者搜尋「水煮蛋 時間」,Google 可能會從資料庫中撈出同時有提到「水煮蛋」和「烹調時間」的網頁,再排序推薦給使用者。

反過來說,如果使用者想知道水煮蛋需要煮多久才會熟,直接搜尋「水煮蛋需要煮多久才會熟」如此直白語句,未必找得到答案,因此使用者可能必須將問題先切成幾個關鍵字,轉換成 Google 看得懂的語言,如「水煮蛋 時間」,或是推測可能要看水煮蛋食譜才能解決問題,而改搜尋「水煮蛋 食譜」或「水煮蛋 步驟」。

簡單來說,使用者會需要配合搜尋引擎能理解的語言來提問,才能找到需要的資訊。但如果搜尋前,還得先思考要打什麼關鍵字才能找到答案,豈不是很麻煩嗎? 

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Google 搜尋引擎秉持的理念是,要提供最相關的資訊給使用者,且讓使用者花越少時間在搜尋越好。換句話說,就是要讓使用者在最短的時間內獲得想要的資訊──「速度」跟「精確度」是兩大重點,而蜂鳥演算法的出現大大改善了這兩個問題。

蜂鳥雖然體型嬌小,卻以翅膀振動速度飛快和敏捷行動力出名,而蜂鳥演算法正如其名,希望帶給使用者的搜尋體驗能是快而精準。

但要如何做到?最重要的關鍵是,要能更了解使用者想要找什麼樣的資訊、使用者為什麼要搜尋該關鍵字,也就是要判讀所謂使用者的「搜尋意圖」。 

搜尋意圖(Search Intent)是什麼?

簡單來說,搜尋意圖就是使用者搜尋的「目的」,可以是想知道關鍵字是什麼意思、想要購買商品、想找到某個網站等。蜂鳥演算法正式運行以後,我們已能更準確地從搜尋結果頁面,來推測使用者的搜尋意圖。

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舉例來說,搜尋關鍵字「演算法」,搜尋結果第一頁會出現有關演算法的介紹,因此可以推測使用者,使用者搜尋「演算法」,應該就是想了解演算法是什麼。

圖/作者提供

再看一下關鍵字「水煮蛋」,搜尋結果第一頁上的內容大多是在介紹「水煮蛋的煮法」,諸如水煮蛋要煮多久等等,而非水煮蛋的營養成分等知識性內容。也就是說,Google 猜測,查詢「水煮蛋」的使用者,最想知道的是「水煮蛋怎麼煮」,而不是有關水煮蛋的知識。

圖/作者提供

判斷搜尋意圖未必是件容易的事,但對執行搜尋引擎優化(SEO)來說卻很重要。因為 Google 會提供給使用者的是和搜尋意圖最相關的資訊,因此正確掌握搜尋意圖,正是做好 SEO 的第一步。

以水煮蛋為例,如果你經營的網站,寫了一篇水煮蛋「營養成分的介紹文章」。但因為搜尋「水煮蛋」的使用者,比較想了解的是水煮蛋的「製作方式」,所以 Google 很可能不會把你的文章排得太前面。

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蜂鳥演算法如何幫助 Google 更精確地判斷搜尋意圖? 

在蜂鳥演算法推出前,Google 先推出了語音搜尋的服務,用口語表達的方式即可以執行搜尋。比起文字輸入搜尋,語音搜尋的用語更為自然、口語化,比如以文字搜尋時,使用者可能會輸入「水煮蛋製作」,但使用語音搜尋時,卻可能會說出較為口語的「水煮蛋怎麼做」。

此時,如何解讀使用者的搜尋字詞變得相當重要,而蜂鳥演算法帶來最大的改變是從字詞上的辨識,進階成為「語意上的解讀」。

也就是說,Google 本來只會根據關鍵字提供對應的資料給使用者,但蜂鳥演算法的導入,卻讓 Google 開始學會讀取上下文。能將所有輸入的字詞融為整體作判斷,並參照彼此間的關聯性去推測更深層的意涵,而非單單只是把搜尋字詞看成是有很多關鍵字集合的字串。

比如搜尋關鍵字「明天天氣」,若只抓取字面上的關鍵字,搜尋引擎可能只會判斷使用者想知道天氣,所以會提供各縣市天氣預報。但是加入語意上的判讀後,Google 會將「明天天氣」此搜尋字詞理解為「使用者想知道所在區域的明天天氣狀況」,便會在使用者有授權的情況下,自動參考使用者的位置資訊,進而提供使用者所在位置的天氣資訊。

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圖/作者提供

蜂鳥演算法對搜尋引擎優化(SEO)的影響?

如果蜂鳥演算法只是強化了Google 對於搜尋字詞的理解能力,那麼對於網頁在搜尋結果的排名,理論上來說應該沒有直接影響?

但實際上,蜂鳥演算法雖然沒有改變影響排名的因素,但對於網站流量的成效和 SEO 執行策略方面卻有帶來一些改變。

1.流量可能變少

在蜂鳥演算法導入的前一年,Google 推出了「知識圖譜」(knowledge graph)功能。它結合了語意分析和資料蒐集,事先彙整了一些使用者可能需要資料,只要使用者一搜尋相關關鍵字,Google 就能從資料庫中提取資料,提供現成的知識圖譜,讓使用者的疑問能快速被回答。使用者甚至不需要點入任何搜尋結果就能得到答案,例如搜尋「強尼戴普幾歲」:

圖/作者提供

從搜尋結果最上方及右側的知識面板,就能立即得到強尼戴普的年齡和其他相關資訊,甚至不需要點入維基百科查看。

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這對於使用者來說當然是好事,畢竟搜尋問題能立刻得到答案,還不需要自己一一點入網站彙整需要的資訊。相反的,對於網站主來說,語意理解加知識圖譜的出現卻會是個威脅,因為辛苦策劃了網頁內容,卻可能吸引不到點擊/流量。這時候的網頁排名競爭,相當於要競爭的對手不只是其他網站,還有 Google 本身。

2.長尾關鍵字更受歡迎

因為語音搜尋服務的推出,使用者的搜尋字詞開始越來越口語化,而這些口語化的搜尋字詞,是屬於搜尋量較少、非主要搜尋字詞的長尾關鍵字。本來在蜂鳥演算法推出以前,Google 比較不擅長將這類長尾關鍵字和相對應的網頁內容串連在一起,SEO 操作上較少選擇長尾關鍵字作為要操作的目標關鍵字。在蜂鳥演算法導入之後,Google 的關鍵字語意判讀能力提升,才能逐漸辨識這些長尾關鍵字的搜尋意圖。

SEO 策略能如何因應蜂鳥演算法調整?

延續前一段提到蜂鳥演算法對 SEO 的影響,可以了解蜂鳥演算法與網頁排名指標較沒直接關係,網站主沒辦法針對特定因素進行優化,因此只能將重心放在優化網頁內容,增加搜尋引擎將網站推薦給使用者的機會。

常見的 SEO 優化策略有:

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1.多發布優質內容

針對網站主題多發布相關的原創內容,網站內容越豐富,越有機會解答使用者的問題。

2.加強文章的廣度

文章內容題材涵蓋範圍越廣,越能解決使用者可能會有的疑問。能一文解決使用者所有疑問的文章,有較高的機會被Google 認定為優質內容,進而推薦給使用者,而使用者也可能透過搜尋不同疑問接觸到同一篇文章。

3.善用長尾關鍵字

上段有提到蜂鳥演算法讓長尾關鍵字越來越受歡迎,代表使用者會更容易透過搜尋長尾關鍵字而接觸到相關網頁。網站主可以善用蜂鳥演算法能理解長尾關鍵字語意的特性,挑選適合的長尾關鍵字作為 SEO 的操作目標,或許反而能因為長尾關鍵字競爭程度相對小、搜尋意圖相對明確的優勢,讓網頁更有機會獲得好排名。

以上三個策略,都是著重在「如何用內容增加網頁曝光」的機會,所以最後還是老話一句,當你不曉得 Google 演算法革新帶來什麼影響、不知道該如何因應改變時,只要記住:持續提供優質內容、解決越多使用者的問題,就是做好 SEO 的最高原則。

蜂鳥演算法對搜尋引擎使用者的影響

蜂鳥演算法是 Google 用來判斷搜尋意圖的一大利器,透過精準掌握搜尋意圖,達到能快速提供使用者有用資訊的效果。Google 對關鍵字的理解,從初階的「詞彙」辨識,進階到「語意」上的解讀。因此,Google 更加清楚理解,使用者對搜尋引擎提出的問題,究竟是在問什麼,以及使用者預期想得到的答案又是什麼。

Google 彷彿真的知道,在電腦前輸入關鍵字的你我在想些什麼。例如正想自製早午餐的你,搜尋「法式吐司」,Google 會馬上告訴你,做出好吃法式吐司的方法。搜尋「最佳燒烤店」,Google 會找出離你最近的高評價燒烤店資訊(而不是依照「最佳燒烤店」字面上的意思,列出全世界最高分的燒烤店)。

藉由蜂鳥演算法的幫助,Google 大神不只有問必答,提供的答案也一點都不馬虎,能確實幫助使用者解決問題。

從蜂鳥演算法對使用者的影響來看,基本上是有益無害。蜂鳥演算法能將多樣化的使用者問題和網頁提供的資訊,更精準地連接在一起。並加入知識圖譜、本地資訊等貼心服務,優化使用者體驗。不僅可以讓使用者使用更人性化的用詞搜尋,得到的搜尋結果往往也更符合所需。

不過,蜂鳥演算法在語意判讀的精準度能否更提升,精準度是否會因不同語言而有差異?仍是值得持續觀察的問題。

參考資料:

  1. Google Hummingbird – Moz
  2. Searcher Intent: The Overlooked ‘Ranking Factor’ You Should Be Optimizing For – Ahrefs
  3. SEO 搜尋引擎優化 – JKL SEO
  4. 搜尋引擎原理 – JKL SEO
  5. Should You Change Your SEO Strategy Because of Google Hummingbird? – Neilpatel
  6. 什麼是長尾關鍵字?流量不是最多但非常重要的 SEO 觀念! – dcplus
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Abby T
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任職於 JKL SEO 公司的 SEO 顧問兼內容行銷專欄作家。對 SEO搜尋引擎優化相關演算法小有研究,致力於將 SEO 相關知識,以淺顯易懂方式撰寫成科普文章,使普羅大眾有機會認識 SEO 這項專業數位行銷技術。

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LDL-C 正常仍中風?揭開心血管疾病的隱形殺手 L5
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/06/20 ・3659字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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本文與 美商德州博藝社科技 HEART 合作,泛科學企劃執行。

提到台灣令人焦慮的交通,多數人會想到都市裡的壅塞車潮,但真正致命的「塞車」,其實正悄悄發生在我們體內的動脈之中。

這場無聲的危機,主角是被稱為「壞膽固醇」的低密度脂蛋白( Low-Density Lipoprotein,簡稱 LDL )。它原本是血液中運送膽固醇的貨車角色,但當 LDL 顆粒數量失控,卻會開始在血管壁上「違規堆積」,讓「生命幹道」的血管日益狹窄,進而引發心肌梗塞或腦中風等嚴重後果。

科學家們還發現一個令人困惑的現象:即使 LDL 數值「看起來很漂亮」,心血管疾病卻依然找上門來!這究竟是怎麼一回事?沿用數十年的健康標準是否早已不敷使用?

膽固醇的「好壞」之分:一場體內的攻防戰

膽固醇是否越少越好?答案是否定的。事實上,我們體內攜帶膽固醇的脂蛋白主要分為兩種:高密度脂蛋白(High-Density Lipoprotein,簡稱 HDL)和低密度脂蛋白( LDL )。

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想像一下您的血管是一條高速公路。HDL 就像是「清潔車隊」,負責將壞膽固醇( LDL )運來的多餘油脂垃圾清走。而 LDL 則像是在血管裡亂丟垃圾的「破壞者」。如果您的 HDL 清潔車隊數量太少,清不過來,垃圾便會堆積如山,最終導致血管堵塞,甚至引發心臟病或中風。

我們體內攜帶膽固醇的脂蛋白主要分為兩種:高密度脂蛋白(HDL)和低密度脂蛋白(LDL)/ 圖片來源:shutterstock

因此,過去數十年來,醫生建議男性 HDL 數值至少應達到 40 mg/dL,女性則需更高,達到 50 mg/dL( mg/dL 是健檢報告上的標準單位,代表每 100 毫升血液中膽固醇的毫克數)。女性的標準較嚴格,是因為更年期後]pacg心血管保護力會大幅下降,需要更多的「清道夫」來維持血管健康。

相對地,LDL 則建議控制在 130 mg/dL 以下,以減緩垃圾堆積的速度。總膽固醇的理想數值則應控制在 200 mg/dL 以內。這些看似枯燥的數字,實則反映了體內一場血管清潔隊與垃圾山之間的攻防戰。

那麼,為何同為脂蛋白,HDL 被稱為「好」的,而 LDL 卻是「壞」的呢?這並非簡單的貼標籤。我們吃下肚或肝臟製造的脂肪,會透過血液運送到全身,這些在血液中流動的脂肪即為「血脂」,主要成分包含三酸甘油酯和膽固醇。三酸甘油酯是身體儲存能量的重要形式,而膽固醇更是細胞膜、荷爾蒙、維生素D和膽汁不可或缺的原料。

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這些血脂對身體運作至關重要,本身並非有害物質。然而,由於脂質是油溶性的,無法直接在血液裡自由流動。因此,在血管或淋巴管裡,脂質需要跟「載脂蛋白」這種特殊的蛋白質結合,變成可以親近水的「脂蛋白」,才能順利在全身循環運輸。

肝臟是生產這些「運輸用蛋白質」的主要工廠,製造出多種蛋白質來運載脂肪。其中,低密度脂蛋白載運大量膽固醇,將其精準送往各組織器官。這也是為什麼低密度脂蛋白膽固醇的縮寫是 LDL-C (全稱是 Low-Density Lipoprotein Cholesterol )。

當血液中 LDL-C 過高時,部分 LDL 可能會被「氧化」變質。這些變質或過量的 LDL 容易在血管壁上引發一連串發炎反應,最終形成粥狀硬化斑塊,導致血管阻塞。因此,LDL-C 被冠上「壞膽固醇」的稱號,因為它與心腦血管疾病的風險密切相關。

高密度脂蛋白(HDL) 則恰好相反。其組成近半為蛋白質,膽固醇比例較少,因此有許多「空位」可供載運。HDL-C 就像血管裡的「清道夫」,負責清除血管壁上多餘的膽固醇,並將其運回肝臟代謝處理。正因為如此,HDL-C 被視為「好膽固醇」。

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為何同為脂蛋白,HDL 被稱為「好」的,而 LDL 卻是「壞」的呢?這並非簡單的貼標籤。/ 圖片來源:shutterstock

過去數十年來,醫學界主流觀點認為 LDL-C 越低越好。許多降血脂藥物,如史他汀類(Statins)以及近年發展的 PCSK9 抑制劑,其主要目標皆是降低血液中的 LDL-C 濃度。

然而,科學家們在臨床上發現,儘管許多人的 LDL-C 數值控制得很好,甚至很低,卻仍舊發生中風或心肌梗塞!難道我們對膽固醇的認知,一開始就抓錯了重點?

傳統判讀失準?LDL-C 達標仍難逃心血管危機

早在 2009 年,美國心臟協會與加州大學洛杉磯分校(UCLA)進行了一項大型的回溯性研究。研究團隊分析了 2000 年至 2006 年間,全美超過 13 萬名心臟病住院患者的數據,並記錄了他們入院時的血脂數值。

結果發現,在那些沒有心血管疾病或糖尿病史的患者中,竟有高達 72.1% 的人,其入院時的 LDL-C 數值低於當時建議的 130 mg/dL「安全標準」!即使對於已有心臟病史的患者,也有半數人的 LDL-C 數值低於 100 mg/dL。

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這項研究明確指出,依照當時的指引標準,絕大多數首次心臟病發作的患者,其 LDL-C 數值其實都在「可接受範圍」內。這意味著,單純依賴 LDL-C 數值,並無法有效預防心臟病發作。

科學家們為此感到相當棘手。傳統僅檢測 LDL-C 總量的方式,可能就像只計算路上有多少貨車,卻沒有注意到有些貨車的「駕駛行為」其實非常危險一樣,沒辦法完全揪出真正的問題根源!因此,科學家們決定進一步深入檢視這些「駕駛」,找出誰才是真正的麻煩製造者。

LDL 家族的「頭號戰犯」:L5 型低密度脂蛋白

為了精準揪出 LDL 裡,誰才是最危險的分子,科學家們投入大量心力。他們發現,LDL 這個「壞膽固醇」家族並非均質,其成員有大小、密度之分,甚至帶有不同的電荷,如同各式型號的貨車與脾性各異的「駕駛」。

為了精準揪出 LDL 裡,誰才是最危險的分子,科學家們投入大量心力。發現 LDL 這個「壞膽固醇」家族並非均質,其成員有大小、密度之分,甚至帶有不同的電荷。/ 圖片來源:shutterstock

早在 1979 年,已有科學家提出某些帶有較強「負電性」的 LDL 分子可能與動脈粥狀硬化有關。這些帶負電的 LDL 就像特別容易「黏」在血管壁上的頑固污漬。

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台灣留美科學家陳珠璜教授、楊朝諭教授及其團隊在這方面取得突破性的貢獻。他們利用一種叫做「陰離子交換層析法」的精密技術,像是用一個特殊的「電荷篩子」,依照 LDL 粒子所帶負電荷的多寡,成功將 LDL 分離成 L1 到 L5 五個主要的亞群。其中 L1 帶負電荷最少,相對溫和;而 L5 則帶有最多負電荷,電負性最強,最容易在血管中暴衝的「路怒症駕駛」。

2003 年,陳教授團隊首次從心肌梗塞患者血液中,分離並確認了 L5 的存在。他們後續多年的研究進一步證實,在急性心肌梗塞或糖尿病等高風險族群的血液中,L5 的濃度會顯著升高。

L5 的蛋白質結構很不一樣,不僅天生帶有超強負電性,還可能與其他不同的蛋白質結合,或經過「醣基化」修飾,就像在自己外面額外裝上了一些醣類分子。這些特殊的結構和性質,使 L5 成為血管中的「頭號戰犯」。

當 L5 出現時,它並非僅僅路過,而是會直接「搞破壞」:首先,L5 會直接損傷內皮細胞,讓細胞凋亡,甚至讓血管壁的通透性增加,如同在血管壁上鑿洞。接著,L5 會刺激血管壁產生發炎反應。血管壁受傷、發炎後,血液中的免疫細胞便會前來「救災」。

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然而,這些免疫細胞在吞噬過多包括 L5 在內的壞東西後,會堆積在血管壁上,逐漸形成硬化斑塊,使血管日益狹窄,這便是我們常聽到的「動脈粥狀硬化」。若這些不穩定的斑塊破裂,可能引發急性血栓,直接堵死血管!若發生在供應心臟血液的冠狀動脈,就會造成心肌梗塞;若發生在腦部血管,則會導致腦中風。

L5:心血管風險評估新指標

現在,我們已明確指出 L5 才是 LDL 家族中真正的「破壞之王」。因此,是時候調整我們對膽固醇數值的看法了。現在,除了關注 LDL-C 的「總量」,我們更應該留意血液中 L5 佔所有 LDL 的「百分比」,即 L5%。

陳珠璜教授也將這項 L5 檢測觀念,從世界知名的德州心臟中心帶回台灣,並創辦了美商德州博藝社科技(HEART)。HEART 在台灣研發出嶄新科技,並在美國、歐盟、英國、加拿大、台灣取得專利許可,日本也正在申請中,希望能讓更多台灣民眾受惠於這項更精準的檢測服務。

一般來說,如果您的 L5% 數值小於 2%,通常代表心血管風險較低。但若 L5% 大於 5%,您就屬於高風險族群,建議進一步進行影像學檢查。特別是當 L5% 大於 8% 時,務必提高警覺,這可能預示著心血管疾病即將發作,或已在悄悄進展中。

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對於已有心肌梗塞或中風病史的患者,定期監測 L5% 更是評估疾病復發風險的重要指標。此外,糖尿病、高血壓、高血脂、代謝症候群,以及長期吸菸者,L5% 檢測也能提供額外且有價值的風險評估參考。

隨著醫療科技逐步邁向「精準醫療」的時代,無論是癌症還是心血管疾病的防治,都不再只是單純依賴傳統的身高、體重等指標,而是進一步透過更精密的生物標記,例如特定的蛋白質或代謝物,來更準確地捕捉疾病發生前的徵兆。

您是否曾檢測過 L5% 數值,或是對這項新興的健康指標感到好奇呢?

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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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從離子阱到拓樸量子位元:量子計算的未來還有多少可能?
PanSci_96
・2024/10/13 ・2069字 ・閱讀時間約 4 分鐘

量子電腦的新戰場:Atom Computing 的崛起

量子電腦的發展一直以來被視為科技的終極挑戰,從 Google 的量子霸權,到 IBM 不斷推進的Condor 超導電腦,業界翹首以待。然而,截至 2024 年,量子計算領域出現了一個新的變數。Atom Computing 一家美國新興公司,推出了擁有 1,180 個量子位元的量子電腦,不僅超越了IBM神鷹量子電腦的 1,121 個量子位元,甚至德國達姆施塔特工業大學也宣布開發出 1,305 個量子位元的超級電腦。

這些新興勢力的出現,不僅在位元數量上超越了 Google 與 IBM 的現有設備,更顛覆了量子電腦技術路線的既有認知。與以往依賴超導技術的量子電腦不同,Atom Computing 與達姆施塔特大學採用了「離子阱」( Ion Traps ) 技術,利用雷射與電場操控離子,形成穩定且壽命較長的量子位元。這是否意味著,超導量子電腦將不再是量子計算的唯一未來?

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離子阱技術:量子計算的新契機?

為了理解這一新興技術的潛力,我們首先需要認識量子位元的製作原理。超導量子電腦運用電子在超低溫下的行為,來實現穩定的量子狀態。然而,隨著量子位元數量增加,超導系統面臨物理尺寸與能耗的挑戰。這也是為何離子阱技術逐漸受到重視。

離子阱技術是透過電場陷阱將帶電的離子懸浮在空中,並利用雷射操控其量子態。這種技術擁有更高的穩定性,且能在更長時間內維持量子位元的疊加態。然而,由於需要超低溫、精確的電場控制以及真空環境,離子阱技術在商業應用中的成本仍然偏高,但它的潛力不容忽視。

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中性原子與光學魔法:更進一步的量子技術

除了離子阱技術,Atom Computing 與德國團隊則採用另一種不同的策略——使用中性原子來取代離子。中性原子不帶電,這意味著無法直接依賴電場控制,那它們如何操控?答案在於光學技術。他們運用光鑷(光學鑷子)和雷射致冷技術,用光來束縛和操控中性原子。光鑷是 2018 年諾貝爾物理學獎的技術,利用雷射的動量來推動和控制微小的粒子。

在這種方法下,雷射不僅能束縛原子,還能通過致冷技術將原子的運動降到極低,使得量子態更穩定。這種新興技術雖然仍處於實驗階段,但已顯示出其在量子計算中的巨大潛力。

量子點與鑽石空缺:人造原子的力量

另一個在量子計算領域獲得關注的技術是「量子點」( Quantum Dots )。量子點被視為人造原子,科學家透過在矽晶體等半導體材料中束縛電子,並利用微波來控制其自旋狀態。這項技術的最大優勢是半導體產業已經相當成熟,因此如果量子點技術能成功商業化,其普及速度將非常快速。即便如此,量子點技術仍需要在低溫環境下運作,且面臨如何克服材料內部雜訊干擾的挑戰。

與此類似的技術還包括「鑽石空缺」( Diamond Vacancies ),它透過在人造鑽石中替換部分碳原子,以氮原子取代,並使用雷射來激發這些空缺結構。鑽石空缺技術的最大優點是它不需要極低溫,能在室溫下運作,這使得它在未來的量子計算應用中具有很大的潛力。

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量子電腦模擬的原子核 。圖/wikimedia

二維世界的探索:拓樸量子位元

隨著三維物理的極限逐漸顯現,科學家們將目光投向了二維世界,探索其中的量子計算可能性。微軟與貝爾實驗室都在研究的「拓樸量子位元」( Topological Qubits ) 便是一個例子。拓樸量子位元基於一種稱為「任意子」( Anyon ) 的準粒子運作,這種粒子只存在於二維空間中,並且擁有無視傳統量子力學法則的特性。

拓樸量子位元透過操控粒子的空間幾何軌跡來實現運算,這種軌跡在二維空間中表現出穩定且高度容錯的特性。因此,與其他量子位元相比,拓樸量子位元的穩定性與耐久性更佳。然而,這項技術仍處於實驗階段,距離實際應用還有一段路要走。

量子電腦的未來:量子糾錯與穩定性挑戰

儘管量子電腦擁有極大的潛力,但其目前仍面臨著許多挑戰,最重要的便是量子位元之間的「保真度」( Fidelity ) 與「量子糾錯」( Quantum Error Correction ) 技術。現代的量子電腦對外界干擾極為敏感,甚至微小的環境變化都可能導致計算結果的錯誤。因此,提升量子位元的精確率,並開發有效的糾錯技術,是量子計算未來必須跨越的關鍵。

以 Google 為例,他們在 2023 年發布的研究顯示,通過增加量子位元數量並使用「表面碼」( Surface Code ) 技術,他們成功降低了量子計算中的錯誤率。這項進展意味著量子糾錯技術正逐步成為現實,然而,大規模商業化的量子電腦仍需更多時間才能問世。

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誰將引領量子計算的未來?

量子電腦的發展方向多樣,從超導量子電腦、離子阱、中性原子、量子點、鑽石空缺,到拓樸量子位元,每一種技術都有其獨特的優勢與挑戰。誰能成為量子計算的最終霸主,仍然是未解之謎。或許在不遠的將來,量子電腦將以我們無法想像的速度改變世界,重新定義我們對計算、數據與科技的理解。

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