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臺灣鐵器時代的「玻璃珠」從哪裡來?——彩色裝飾品見證臺灣與世界的交流

研之有物│中央研究院_96
・2021/10/04 ・5546字 ・閱讀時間約 11 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

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。

  • 採訪撰文|寒波
  • 美術設計|林洵安

為什麼要研究臺灣鐵器時代玻璃珠?

古代物品的交換與流動,是考古學密切關注的主題。臺灣在新石器時代的流行物品是「玉」,到了鐵器時代,玉的風潮不再,取而代之的飾品正是「玻璃珠」。過去臺灣考古學家認為鐵器時代的玻璃珠是從東南亞進口,但沒有明確證據;中央研究院歷史語言研究所助研究員王冠文,透過嚴謹的材料科學分析,與研究團隊突破了這項瓶頸。

從材料科學出發

距今 2000 年內的鐵器時代,臺灣各地遺址出土不少玻璃珠,透過材料分析顯示,玻璃珠主要來自東南亞,甚至與更遙遠的南亞、西亞有所連結。可以說,這些彩色裝飾品見證了鐵器時代臺灣與世界的交流,也是中研院歷史語言研究所助研究員王冠文的研究主題。

與大多數考古學家不同,王冠文具有堅實的理工背景,同時也喜歡從考古發掘故事。大學就讀清華大學材料科學工程學系,碩士即出國深造投入考古學領域。一開始碩士時期研究中亞的釉,在英國雪菲爾大學讀博士時,主題就轉換到玻璃考古。

回臺灣之後,王冠文延續過去所學,思考著:出土於臺灣鐵器時代的玻璃珠數量很多,可是還沒有太多研究,應該會是值得探索的題材。

王冠文從材料科學跨入考古領域,持續深化臺灣在地研究。圖│研之有物
王冠文從材料科學跨入考古領域,持續深化臺灣在地研究。圖/研之有物

來源追追追:從玉器到玻璃珠

玻璃珠對臺灣的考古學有什麼意義?首先回顧臺灣古代史,距今 4000 多年前南島族群離開臺灣,移民到東南亞並逐漸形成各地南島語族時,臺灣和東南亞之間仍然保持來往,一大明確的證據來自「玉」。澳洲國立大學考古學家洪曉純比對東南亞玉器的化學成份,發現它們來自花蓮的豐田,證實當時臺灣與東南亞跨海的長距離連結。

臺灣玉器大部份流行於新石器時代,到了更晚的鐵器時代,玉的風潮不再,取而代之的飾品正是「玻璃珠」。王冠文說,藉由考古可以得知物的交換和流動,過去臺灣考古學家認為臺灣在新石器時代向東南亞出口玉材,到了鐵器時代則改成由東南亞進口玻璃珠,但沒有明確的證據證實玻璃珠的來源,王冠文與研究團隊透過科學分析突破了這項瓶頸。

玻璃製造技術與起源

已知的考古紀錄中,最早燒製玻璃的是古埃及與美索不達米亞人,隨後南亞、東亞也出現燒製玻璃的技術。儘管大原則類似,然而各地材料與製程仍有差別,玻璃燒製技術可能為多地獨立起源。

臺灣鐵器時代遺址出土的玻璃珠,幾乎都屬於「鈉鋁矽酸鹽」和「鈉鈣矽酸鹽」兩個系統,它們在製作時都使用鈉作為助熔劑,目的是降低氧化矽的熔點,減少製程難度。

兩個系統有何區別呢?王冠文說,科技考古學界習慣將鈉鋁矽酸鹽玻璃稱為「礦物鈉鋁玻璃」,因為鈉的原料來自礦物,這類玻璃最初在南亞研發,相關產品後來分布範圍很廣,東亞、東南亞、南亞、非洲東岸都能見到。公元前 4 世紀,也就是距今約 2400 年前開始,東南亞就從印度輸入礦物鈉鋁玻璃製作的飾品,但是東南亞當地的工匠是否也會生產這類玻璃,仍缺乏資料佐證。

相較於礦物鈉鋁玻璃為南亞起源,鈉鈣矽酸鹽玻璃則是西亞起源,科學分析發現鈉助熔劑來自植物灰,所以又可稱為「植物灰玻璃」,最早的植物灰玻璃可以追溯到古埃及,大約在 6~7 世紀時復現於西亞。這種玻璃製品出現在東南亞的年代稍晚,大概是 7~8 世紀之後。

臺南道爺南遺址的玻璃珠,為顏色鮮豔的中空玻璃珠。圖│王冠文
臺南道爺南遺址的玻璃珠,為顏色鮮豔的中空玻璃珠。圖/王冠文

從玻璃珠看見臺灣與世界的連結

王冠文分析的樣品,主要來自公元 1 世紀以後的臺灣玻璃珠,都是尺寸很小的中空串珠,顏色多變、色彩強烈,作為裝飾品或陪葬品。透過化學分析不同玻璃珠的材料差異,可以追溯其來源。

由於目前沒有考古證據支持臺灣在鐵器時代,和南亞或西亞有直接的交流,但考古證據顯示,當時兩類玻璃皆由南亞、西亞交易至東南亞。

納入地理因素考量,王冠文認為臺灣出土的植物灰玻璃珠和礦物鈉鋁玻璃珠,可以合理推論主要來自東南亞。不論玻璃珠最初的產地在哪兒,經歷過什麼旅程,它們抵達臺灣的前一站都是東南亞某處。

也就是說,臺灣或許處於傳統認知的歐亞大陸「文明世界」之外,幾千年來卻非文化上的孤島。透過東南亞這個中繼站,臺灣和蓬勃的南海交流圈有直接來往,和距離更遠的印度洋交流圈也有間接互動,甚至可以推論,亦與遠在半個世界以外的伊斯蘭文化圈間接有所聯繫。

臺南道爺南遺址的玻璃珠,可串聯掛在頸部,做為陪葬品使用。圖│研之有物
臺南道爺南遺址的玻璃珠,可串聯掛在頸部,做為陪葬品使用。圖/研之有物

有沒有可能從中國進口玻璃珠?

臺灣從文化相近的東南亞進口玻璃珠,那是否也有從東亞大陸引進?畢竟說到玻璃製作,埃及、中東、印度之外,中國也有悠久的傳統。

王冠文說,中國密集出產「高鉛玻璃」,並且有些成品含有「高放射性成因鉛[註1]」。因此和臺灣鐵器時代前期的玻璃珠比較(包含西亞植物灰玻璃、南亞礦物鈉鋁玻璃),成份明顯不同,能清楚區別。

不過,臺灣遺址確實出土過高鉛玻璃,年代比南亞、西亞產品更晚,要等到 10 世紀。這些玻璃或許直接來自臺灣海峽的對岸,但是也可能經歷更加迂迴的路線,例如先從中國輸出到東南亞,再從東南亞引進臺灣,目前證據仍不足。

當時臺灣沒有生產玻璃珠嗎?

既然臺灣鐵器時代的玻璃珠來自東南亞,除了進口之外,臺灣本地是否也會自行生產?這個問題比想像中複雜,王冠文研究發現,鐵器時代的臺灣沒有燒製玻璃(glassmaking)的證據,但是有自行加工(glassworking)。

玻璃珠的考古通常更為困難,主要和玻璃製造方式有關。首先是需要採集矽砂及助熔劑原料,從無到有製造出玻璃,玻璃燒製的地點通常靠近矽砂或助熔劑來源,獲得玻璃成品或半成品之後,再送到其他地方加工。即使是玻璃成品,過了一段時間後也可能被重新熔化,加工做成新的製品,例如玻璃珠。

此外,玻璃的工坊遺跡也難以留存。目前印度仍有少數作坊以古法製造玻璃,考古學家觀察到,印度工匠的作坊只要不再使用,短短幾年後就不留痕跡。如果古代也是如此,也難怪考古學家至今為止,在南亞和東南亞仍然沒有發現明顯的玻璃工坊遺跡。

相較於另一個臺灣代表性飾品「玉」,玉本身就是礦物,成分幾乎不會改變,而且玉礦很少,追蹤來歷相對單純。玻璃是人造混合物,除了主要成份外,其餘成份可以持續變動,能製作玻璃的原料也普遍存在,不容易判斷具體的取材範圍。

臺灣古代最容易接觸東南亞的是東部、南部,也是較早出土玻璃珠的地區 。玻璃珠本身無法取得定年資訊,必需依靠周圍材料。可惜臺灣很多遺址缺乏更細緻的定年結果,也就難以釐清玻璃珠的精確年代,常見「3 到 6 世紀」、「6 到 9 世紀」這類範圍很大的年代估計。

儘管有重重限制,王冠文依然盡力追尋一切線索。回答臺灣玻璃珠生產的考古問題,舊香蘭遺址是很好的研究案例。

舊香蘭遺址找答案

舊香蘭遺址位於臺東,年代介於公元前 3 到 8 世紀,總共出土約 2800 件完整玻璃珠,以及數百件玻璃廢料,也有鐵器與處理金屬的相關遺留。處理金屬與玻璃珠同樣需要高溫,意謂當時的工匠懂得高溫工藝。

由於出土大量的玻璃與廢料,學者一度推論舊香蘭曾經是玻璃的燒製場所。然而,王冠文的分析指出,當地應該只有進行過玻璃珠加工,找不到燒製的證據。

舊香蘭出土的玻璃珠幾乎都是礦物鈉鋁玻璃,完全沒有植物灰玻璃,廢料則兩者皆有。以化學組成判斷,礦物鈉鋁玻璃的原料主要是花崗岩質砂,植物灰玻璃則需要沙漠地區的鹽生、旱生植物,這些原料不易在臺灣取得,因此玻璃珠或玻璃料最可能從海外進口;而植物灰玻璃廢料的年代,應該比部分礦物鈉鋁玻璃更晚。

要判斷製造的痕跡,玻璃珠製法也是關鍵。玻璃珠可分為拉製(drawn)和捲製(wound)兩大類,目標都是做出可以被串起的中空玻璃珠。捲製法相對簡單,用鐵棒捲起融化的玻璃條,冷卻後成形即可。拉製法則比較費工,製作時一位工匠使用空心長鐵棒,將熔爐中的玻璃捲成錐狀,另一位則在另一側從熔爐拉出長玻璃管,再裁切做成中空玻璃珠。製作過程,黏附在金屬工具的玻璃,冷卻剝落後,外觀也會形成易辨認的玻璃廢料。

南海交流圈的礦物鈉鋁玻璃珠,多由拉製法製成。臺灣舊香蘭遺址的完整玻璃珠成品也是拉製法,但是當地並未發現空心長鐵棒等相關遺留,也沒有典型的拉製法玻璃廢料,因此這批玻璃珠似乎並非於臺灣製造,而是直接進口而來。

玻璃工藝:捲製法。圖│研之有物(資料來源│TrollbeadsTV)
玻璃工藝:捲製法。
圖/研之有物(資料來源│TrollbeadsTV
玻璃工藝:拉製法。圖│研之有物(資料來源│CEAlexandrie)
玻璃工藝:拉製法。圖/研之有物(資料來源│CEAlexandrie

有意思的是,舊香蘭的玻璃廢料,看起來是呈現捲製法的工藝技術。這表示舊香蘭工匠懂得加工玻璃的手藝,且和當時東南亞主流技術不同,技術從何而來,仍有待探究。從玻璃廢料與玻璃珠的製程差異來看,可推論兩者有不同的淵源:即玻璃珠是進口舶來品,玻璃廢料則為本地加工的遺留,兩者很可能處於不同年代。

另一處距離舊香蘭不太遠,位於屏東的龜山遺址,年代約介於 3 到 9 世紀,出土過 123 件玻璃珠,不過沒有加工玻璃的跡象。龜山玻璃珠超過 80% 是礦物鈉鋁玻璃,其餘則是植物灰玻璃,應該都是進口產品。

顏色透露出的考古訊息

顏色是玻璃珠考古的另一重點,加入不同化學成份作為「著色劑」(colouring agent),便能創造色彩多變的玻璃珠。著色劑可以在玻璃製造的初期就加入,也能加工時另外添加。

想像東南亞作坊的畫面:前一陣流行紅色珠珠,趕快製作一批;最近風潮又變成橘色,那就再加把勁,改燒製橘色玻璃,把紅色變成橘色珠珠趕流行。

臺灣不同遺址的玻璃珠顏色有別,例如有一款只有表面一層橘色的橘皮珠,只流行於北部和東北部,或許就反映當時該地區人群對橘色珠珠的偏好。鐵器時代絕大部分玻璃珠只有一種顏色,紅、橘、黃、綠、藍等色各有不同作法。目前王冠文的研究著重於礦物鈉鋁玻璃珠的著色。

鑲埋在環氧樹脂中的玻璃珠樣本,可透過掃描式電子顯微鏡分析。圖│研之有物
鑲埋在環氧樹脂中的玻璃珠樣本,可透過掃描式電子顯微鏡分析。圖/研之有物

臺灣的礦物鈉鋁玻璃珠皆由拉製法所製,大部分玻璃珠的著色步驟應該不在臺灣進行。對於臺東舊香蘭、屏東龜山、宜蘭淇武蘭、臺南道爺南和五間厝遺址的分析指出,銅是最普遍使用的著色劑原料,不同化學狀態的銅,根據氧化還原狀態的差異,可以產生紅、橘、藍等色彩;黃色玻璃的著色劑,來自人工製成的黃色顏料──鉛錫黃(水合錫酸鉛);綠色玻璃則同時帶有黃色顏料以及銅藍著色劑。

宜蘭淇武蘭遺址出土的橘皮珠,添加銅作為著色劑。圖│王冠文
宜蘭淇武蘭遺址出土的橘皮珠,添加銅作為著色劑。圖/王冠文

有趣的是,透過科學分析,發現臺灣遺址有些橘色珠的微觀結構中,同時存在氧化銅及氧化錫的結晶,但形成橘色並不一定需要錫,例如淇武蘭遺址的某些橘色珠便幾乎無錫,可是為什麼錫會出現在橘色珠內呢?

可能的原因是,這些橘色珠當初添加銅為著色劑時,加入的是銅錫合金(青銅),所以錫不經意地一起熔入玻璃珠內。另一個可能性,是由玻璃科學的角度而言,錫有促進銅著色劑之橘色顯色功用。

古代工匠或許在不知情的狀況下,發現青銅的妙處,刻意選用青銅做為原料。而青銅是人類史上影響力最大的金屬之一,如果推論正確,玻璃珠和青銅之間的關係,將帶來新的認識。

基於材料科學的背景,王冠文目前研究題材多為高溫工藝素材,未來除了玻璃珠以外,臺灣遺址中的紅玉髓(一般人常和瑪瑙珠搞混)、青銅器等材料,也會納入研究對象。考古學研究,不僅可得知物的交換與流動,同時也能以更寬廣的視野來看待歷史與現實。

註解

  • 註 1:高放射性成因鉛指的是,鉛的形成過程是經由放射性的衰變產生,例如鉛 206、鉛 207、鉛 208。

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印地安人和他們的馬
寒波_96
・2023/06/02 ・2714字 ・閱讀時間約 5 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

在歐亞大陸,馴化馬對歷史的影響很大,但是美洲大陸的漫長歷史中,大部分時光不知道馬的存在。最近幾百年,美洲原住民卻和歐洲人引進的馬一見如故,不同族群發展出各異的人、馬文化。2023 年發表的一項研究,探索美洲原住民和馴化馬的交流歷史。

描繪馬與騎士的壁畫,地點為懷俄明州,年代可能為 17 世紀。應該和 Comanche 與 Shoshone 族人的祖先有關。圖/參考資料3

馬在北美洲流傳,早於歐洲勢力深入

依照現有證據推敲,馴化馬的祖先來自美洲,距今 4000 多年前在亞洲馴化。美洲野馬大部份在一萬年前就消失了,不過根據沉積物的古代 DNA 分析,也許仍有少數成員一直延續到 5700 年前。

北美洲的原住民,也就是印地安人,他們的馬都是歐洲人帶來的嗎?為了摸索馴化馬進入美洲的歷史,研究隊伍從北美洲各地獲得 33 個樣本,29 個得知年代,27 個取得古代基因組,除 1 驢,其餘皆為馬。

依照現有證據整理,馬的大歷史。圖/參考資料3

過往認為,1680 年「普韋布洛起義(Pueblo Revolt)」對馬的傳播很重要。西班牙殖民隊伍 16 世紀首先抵達中美洲,要再往北美洲前進,會先接觸北美洲的西南部,也就是廣義普韋布洛族群的地盤。

雙方 1680 年在現今的新墨西哥州爆發衝突,原住民擊敗外來殖民者,應該也收穫不少馬。有歷史學家認為,這促進馬在原住民網絡的傳播。

然而這回研究指出,至少有四處地點的馬骨年代比 1680 年更早,包括懷俄明州的 Blacks Fork、堪薩斯州的 Kaw River、新墨西哥州的 Paa’ko、愛達荷州的 American Falls Reservoir。這表示歐洲殖民者受挫以前,馬已經進入印地安人的世界,傳播到更遠的地點。

早於原住民與殖民者衝突的 1680 年普韋布洛起義,馬已經深入殖民者尚未抵達的地區。圖/參考資料1

至少在 17 世紀中期時,馬已經傳播到北美洲西半部的廣大範圍。那時殖民者尚未深入到大平原一帶(現今的科羅拉多、堪薩斯、德克薩斯、懷俄明等州),不過殖民者帶來的馬,已經融入一些印地安部族的生活,透過原住民原本的交流網絡迅速傳播。

人與馬建立新關係

印地安人的學習與適應能力很強,美國西北部的愛達荷(講波特蘭、西雅圖的東方,台灣人應該比較熟),17 世紀初期就存在馬銜等裝備,死馬骨頭也有被照顧的痕跡。當時與殖民者還沒什麼接觸的的原住民,已經懂得養馬,也會騎馬。

不同年代、地點,遺址中馬的分佈狀況。圖/參考資料1

北美洲各地的原住民們,環境條件、生活方式都不太一樣。這也反映在人與馬的關係,17 世紀起衍生出多變的人馬文化。原住民和馬的相處時光雖然不長,卻深刻到成為不少族群的傳統,受到強烈打壓下,馬總是夥伴。

馬骨取得的古代 DNA 分析指出,所有原住民的馬都和更早的美洲馬群無關。維京人曾經抵達美洲,或許有帶馬,但是沒有在美洲留下遺傳紀錄。

顯然美洲原住民的馬,都來自西班牙開始的歐洲殖民者。遺傳上 17 到 18 世紀的馬最接近西班牙,後來卻更像英國,看來歐洲不同勢力前來的順序,也對馬產生影響。

考古學家 William Taylor 在實驗室中研究馬骨。圖/參考資料3

馬的新國度

印地安人指稱馬的名稱很多。像是 Pawnee 族人稱呼馬為「新狗」,Blackfeet 叫作「麋鹿狗(elk)」,Comanche 稱為「魔術狗(magic)」,Assiniboine 則是「偉大狗(great)」。

美洲原住民的祖先移民到美洲時,與馴化狗一起。長期以來,狗狗是美洲人最親密的動物。上述幾族的邏輯,是將原本熟悉的人狗關係,拓展用於理解馬。

拉科達蘇族騎士 1899 年留影。那時受到殖民勢力連年壓迫,光景已經大不如前。圖/Lakota, Dakota, Nakota – The Great Sioux Nation

拉科達(Lakota)族人心目中,馬的地位更高。拉科達文化中無所謂馴化、野馬之分,也不會特別飼養馬匹,馬屬於「馬國(Horse Nation)」的子民,族語 Šungwakaŋ,和拉科達人就像同盟國一般。

眾多印地安族群中,拉科達人相當出名。公元 1876 年拉柯達蘇族的聯軍,在蒙大拿的小大角擊潰來犯的美軍,轟動一時。領袖「瘋馬」、「坐牛」都成為歷史名人,當中 Šungwakaŋ 的貢獻也可想而知。

延伸閱讀

參考資料

  1. Taylor, W. T. T., Librado, P., Hunska Tašunke Icu, M., Shield Chief Gover, C., Arterberry, J., Luta Wiƞ, A., … & Orlando, L. (2023). Early dispersal of domestic horses into the Great Plains and northern Rockies. Science, 379(6639), 1316-1323.
  2. The untold history of the horse in the American Plains: A new future for the world
  3. Horse nations: Animal began transforming Native American life startlingly early

本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁

寒波_96
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生命科學碩士、文學與電影愛好者、戳樂黨員,主要興趣為演化,希望把好東西介紹給大家。部落格《盲眼的尼安德塔石器匠》、同名粉絲團《盲眼的尼安德塔石器匠》。

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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

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~

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

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人口有限的古代社會,依然盡量避免近親配對?
寒波_96
・2023/03/28 ・4848字 ・閱讀時間約 10 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

現代台灣社會中,像是堂兄弟姊妹之間的近親結婚,直接受到法律禁止。不過台灣法律的標準並非舉世通用,當今世上許多人的父母,可謂血緣上的親上加親。

近親結婚與近親繁殖,是人類的「常態」嗎?近年蓬勃發展的古代 DNA 研究,讓我們有機會深入探索這些問題。

公元 2010 年時,世界各地近親婚姻的分布狀況。「大中東地區」的比例非常高。圖/Consanguineous marriages, pearls and perils: Geneva International Consanguinity Workshop Report

每個人的遺傳組成都大同小異,兩個人的血緣關係愈近,彼此 DNA 的差異愈小。例如街上隨便找兩位台灣人,即使非親非故,台灣人彼此間的血緣差異,要比台灣人與非洲人更小。

一個人的基因組,源自父母各一半。例如第十一號染色體,各有一條來自父母。父母間的血緣關係愈近,小孩的一對染色體之間也愈相似;因此,要判斷一個人的父母是否為近親,不用知道兩人各自的遺傳訊息,只需要小孩的基因組。

也就是說,假如有幸獲得一位三萬年前古人的基因組,只要這個古代基因組殘留的 DNA 訊息夠多,即使完全缺乏其餘的考古脈絡,我們也能判斷他父母的血緣親疏。

最近十年來,各路科學家獲得愈來愈多古代基因組。儘管數量有限,不過目前應該足以做出初步推論:近親繁殖不是智人的天性。

尼安德塔人的父親母親,親上加親?

討論智人以前,先來看看我們的近親尼安德塔人。兩群人的祖先超過 50 萬年前分家後,各自在非洲與歐洲發展,總人口應該都不多。

這兒要先澄清一個概念:「族群人口少」和「近親繁殖」是兩回事。即使全體族群只有兩千人,整群人的遺傳變異加起來很有限,只要每一次配對時刻意選擇,依然能完全避免近親繁殖。相對地,就算總共有 20 萬人,還是有機會大量近親生寶寶。

重現尼安德塔人 DNA 是智人的重大成就,可惜目前為止累積的基因組樣本很少,只有 30 人左右,分散在不同時間點,廣大的地理範圍。

尼安德塔人的古代基因組,地點與數量。圖/參考資料3

如今了解最透徹的尼安德塔人,位於中亞的 Chagyrskaya 洞穴(現今的俄羅斯南部,知名的丹尼索瓦洞穴在附近),估計年代為 5 萬多年。這群人中有 8 位的遺傳訊息比較齊全,比對得知,所有人的父母都是近親!

尼安德塔人主要住在歐洲,中亞的人口極少。近親生寶寶如此普遍,或許是由於能選擇的對象有限。然而也有可能,這就是尼安德塔人一般的習慣。也許尼安德塔人不會刻意避免近親繁殖,不過程度如何並不清楚。

流動的人,流動的DNA

智人約一萬年前開始定居種田以前,生活方式和尼安德塔人一樣,也習慣分為一小群一小群人活動,不長期定居在一個地點。有意思的是,舊石器時代已知少少的智人基因組,都不存在近親繁殖。

依賴採集、狩獵的生產方式下,每一群的人數都不多,近親配對好像很難避免。不過移動性高的人群,應該也常有機會互相交換人口,增加配對選項。從古代 DNA 看來,這是古早智人的普遍行為。

現有證據似乎告訴我們,遠比文明誕生更早以前,智人已經習慣刻意和血親以外的對象配對,或許可稱之為智人的「天性」,但是不清楚能追溯到多早。

智人如今僅有尼安德塔人一種比較對象,而尼安德塔人好像不排斥近親繁殖。有可能兩者的共同祖先已經會避免近親配對,尼安德塔人卻不再在意;也有可能這是智人較新的性擇模式,與尼安德塔人分家以後的某個時候才形成。

捷克的 Moravia 的 Dolní Věstonice 遺址,2.6 萬年前想像畫面。當時智人人口有限,卻會避免近親配對。圖/Dolní Věstonice in Central Europe

這也可以澄清一個疑惑。有個說法是,原始人只知道媽媽,不知道爸爸,因為小孩明確由媽媽生出,爸爸的功能卻不直接。根據古代 DNA 的證據判斷,此說很顯然錯誤。

如果隨機配對,一群人中勢必會有一定比例的人,父母為血緣近親。由結果反推,倘若都沒有的話,表示這群人都會刻意避免近親配對。

假如多數人都不知道爸爸是誰,實在難以想像要怎麼如此徹底的避免近親繁殖。反過來則合理得多:每個人都知道自己的爸爸媽媽是誰,擇偶時才能避開。

定居的人,設法讓 DNA 流動

一萬多年前開始,世界許多地方陸續有人定居下來,改為依靠種田營生。從流動性高的採集狩獵小群體,變成長期住在一處的小農村,人類的生活方式改變很大,這會影響配對習慣嗎?

人人採集狩獵的時期,每一群的人數都不多,但是習慣跑來跑去,有不少機會交換人口。新石器時代定居下來以後,初期的人口還是不多,卻失去流動性,只能從住在附近的有限對象中擇偶。如此一來,近親配對的機率應該會提高?

目前對此問題的探討不多。資訊比較多的案例,來自安那托利亞(現今的土耳其)一萬多年前,人口頂多數百的小農村遺址 Boncuklu、Pınarbaşı。這兒新石器時代初期的居民,多數在本地長大;可是遺傳上看來,都會避免近親繁殖。

新石器時代小型農村,概念圖。圖/Paint The Past

具體狀況不明,本地與否是透過「鍶」的穩定同位素判斷,涵蓋的地理範圍不算太小。幾十公里遠的隔壁村,只要鍶同位素仍屬同一範圍,仍然會辨識為本地人。

不過我想這些線索應該足以支持,安那托利亞的人們邁入定居時代後,依然保持舊日的擇偶習慣,在有限的選項中盡量避免血親。但是近親繁殖也出現了。肥沃月灣西側的 Ba’ja 遺址(現今的約旦),至少有 1 位居民的父母為近親。

要提醒各位讀者,不同地方邁入定居的年代與狀況都不一樣,有時候差異很大,不可一概而論。

從城市到文明

隨著人口增長加上工作分化,漸漸有大型聚落誕生,有些或許可稱之為城市。人類發展可謂來到另一階段。

例如前述 Boncuklu、Pınarbaşı 遺址附近,就形成知名的加泰土丘(Çatalhöyük),數千年來都有數千人口居住。由鍶穩定同位素判斷,這兒多數人是土生土長,也有少量外來移民。

加泰土丘和我們習慣的「城市」有不少差異,卻昭示人類進入大量人口群聚的階段,各地一座又一座城市興起又衰落。長期保持數千人口的城市生活圈中,即使一輩子不出遠門,似乎也不難找到近親以外的異性配對。

大城市人口多,即使一輩子留在一個地方,也有不少機會找到血親以外的結婚對象。圖/IMDB

當然在現代以前,世界各地的大部分人類並不住在人擠人的城市,而是人口密度更低的郊區與鄉村。不過倘若有心避免近親配對,應該不難達成。

目前為止重現於世的古代基因組,不論何時何地,大部分不是近親繁殖的產物。某文化的眾多樣本中,有時候能見到零星幾位,甚至是兄弟姊妹或親子間的極近親,但是都不普遍。

人口有限的海島,近親繁殖好像更容易發生。義大利南方的馬爾他島,在新石器時代確實如此;但是不列顛北部的奧克尼島,青銅時代僅管人口很少,依然能幾乎避免。

是人性的扭曲,還是財富的累積?

至今所知近親繁殖最常見的古代社會,是青銅時代的愛琴世界,也就是希臘及其外島,距今 3000 到 5000 多年前,愛琴海一帶的米諾斯等文化。薩拉米斯島(Salamis)等小島的比例較高,希臘大陸相對低,整體比例約 30% 之高。

取樣一定有偏差,真正的近親比例不好說,但是大概足以判斷青銅時代的愛琴世界,堂表兄弟姊妹等級的近親婚配習以為常,不只少量統治家族,而是全民普及的現象。

愛琴在青銅時代的橄欖種植。圖/Marriage rules in Minoan Crete revealed by ancient DNA analysis

有史以來智人都會避免近親繁殖,為什麼愛琴人改變婚配方式?目前沒有答案。考古學家提出一個可能,種植橄欖之類的經濟作物,最好不要分割土地,而近親配對有助於保留土地,讓產業留在大家族內傳承。這聽起來合理,可惜缺乏更直接的證據。

社會中有人累積土地等資產,是人類發展的趨勢之一,而不論王公貴族或小地主,時常都有集中資產的需求。目前缺乏古代基因組的其他文化,是否也會見到類似愛琴世界的現象?我猜頗有可能,應該是有趣的探索方向。

隨著不同時空的樣本累積,加上容易操作的父母親緣分析軟體,未來「父母是否為近親」也許能成為古代基因組的標準化分析步驟,讓我們更方便認識人類的性擇。

延伸閱讀

參考資料

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本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁

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寒波_96
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