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人工智慧會被武器化嗎?美國國防部與 Google 間的自主性武器計畫!——《AI 製造商沒說的祕密》

時報出版_96
・2023/02/01 ・4408字 ・閱讀時間約 9 分鐘

美國政府企圖開發出人工智能武器

克萊瑞菲(Clarifai)這家公司位於紐約市的一間小辦公室內,就在紐約大學深度學習實驗室附近,主要是研發可以自動辨識數位影像中物體的科技,例如在零售網站上搜尋鞋子、服飾與皮包的相片,或是辨識保全攝影機影片的人臉。該公司的目的是複製谷歌與微軟等科技業者過去幾年在人工智慧實驗室內所建造的影像辨識系統──然後出售給其他企業、警局與政府機構。

2017 年秋天,克萊瑞菲位於曼哈頓下城辦公室角落的一間房間,窗戶全都用紙糊住,門上有一個牌子寫著「消失的密室」(The Chamber of Secret),引用的是《哈利波特》(Harry Potter)系列的第二集書名。這個牌子是用手寫的,掛得有些歪歪斜斜。在門後有個八位工程師組成的團隊,正在進行一項他們被禁止對公司其他同事談起的計畫。

其實,即使是他們自己也不太清楚所從事的計畫是什麼。他們知道是在訓練一套系統,使其能夠自動辨識在沙漠中某處所拍攝影片裡的人物、汽車與建築物,但是他們不知道要如何使用此一科技。當他們詢問時,公司的創辦人暨執行長麥特.塞勒(Matt Zeiler)會解釋,這是政府有關「監視」的計畫。他說此一計畫可以「拯救生命」。

後來克萊瑞菲搬到較大的辦公室,幾位工程師發掘儲存在公司內部電腦網路的數位檔案,發現有幾個檔案談到一筆政府合約,他們的工作才浮現檯面。

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他們是為國防部的專家計畫(Project Maven)研發相關科技。該計畫的構想是建造一套系統,可以為無人機辨識攻擊目標。但是此一系統的確切用途仍不明朗。他們無法確定此一科技是用來殺戮,還是如塞勒所說的是為了避免殺戮。也無法確定這套系統是用來進行自主性的空襲行動,還是為人類操作員扣下扳機前提供資訊。

接著,在 2017 年末的一個午後,三名身著平民服裝的軍方人員走進克萊瑞菲的辦公室,與幾位工程師闢室密談。他們要知道此一科技的精確度有多高。他們先是詢問它能否辨識像清真寺這樣的特殊建築物。他們表示,恐怖分子與叛亂分子往往會利用清真寺作為軍事總部。他們然後又問道它能否區分男人與婦女。

「你是什麼意思?」一位工程師問道。軍方人員解釋,在曠野之中,它應該能夠根據男人兩腿間隙來分辨男人(都是穿著褲子)與婦女(都是穿著長及腳踝的裙子)。他們表示,他們只准許射殺男人,不能殺婦女。「有時候男人會穿長裙來騙我們,不過沒有關係,」一位軍方人員說道,「我們還是會幹掉這些混帳東西。」

未來的戰爭也許會使用到 AI 型武器。圖/envatoelements

美國國防部專家計畫:自主性武器

2017 年 8 月 11 日,週五,美國國防部長詹姆士.馬提斯(James Mattis)坐在谷歌總部會議室的桌前。他對面坐著新上台的谷歌執行長桑達.皮采(Sundar Pichai),還有創辦人賽吉.布林(Sergey Brin)、法律總顧問,以及人工智慧部門的主管。

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會議室內還有其他一些人,包括幾名國防部的人員與谷歌雲端運算團隊的主管們。國防部的人員大都穿西裝打領帶。谷歌的與會者大都穿著西裝,但沒有打領帶。布林則是穿著一件白色 T 恤。

馬提斯部長正在進行西海岸巡迴考察,參訪矽谷與西雅圖的多家大型科技業者,主要是代表五角大廈探詢專家計畫的採行選項。國防部是在四個月前發動專家計畫,旨在加速國防部「對大數據與機器學習的使用」。該計畫又名「演算法作戰跨職能團隊」(Algorithmic Warfare Cross-Functional Team)。此一計畫的推動有賴像谷歌這類的企業支持,因為它們近幾年來已累積了建造深度學習系統所需的專業與基礎架構。

這也是五角大廈建立新科技的典型方法──與民間企業合作──但是現在的情況與過去有所不同。谷歌與其他科技業者掌握了美國人工智慧的人才,然而它們都不是傳統的軍事承包商。它們是才開始涉足軍事相關領域的消費性科技業者。

不僅如此,川普現在已入主白宮,使得這些公司的員工更加警惕政府的計畫。谷歌對其中的緊張態勢尤其敏感,這是因為該公司特有的文化允許──甚至鼓勵──員工說出自己的看法、做他們喜歡做的事,而且通常在工作場所的行為表現就和在家裡一樣。

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專家計畫所造成的緊張情勢尤其高亢。許多主持谷歌深度學習研發工作的科學家都反對自主性武器,包括「深度學習運動之父」傑弗瑞.辛頓(Geoffrey Hinton)與深度心智(DeepMind)的創辦人。但是根據了解,谷歌的最高層卻希望能與國防部合作。

谷歌董事長艾力克.施密特(Eric Schmidt)同時也是國防創新委員會(Defense Innovation Board)的主席,這是由歐巴馬政府成立的民間組織,旨在促進矽谷的新科技加速移轉至國防部。

在該委員會最近一次會議中,施密特表示在矽谷與國防部之間有一道「顯著的鴻溝」,該委員會的任務就是弭平此一差距。谷歌高層同時也視與軍方合作為其發展雲端事業的另一契機。其實該公司暗中已和國防部建立合作關係。

專家會議上的暗起雲湧

在五月的時候,也就是專家計畫發動一個月後,谷歌一支團隊與國防部官員會面,而在第二天谷歌就向政府申請在自家電腦伺服器儲存軍事數據的許可證。但是三個月後國防部長馬提斯來到谷歌總部商討相關科技時,他知道必須動用一些技巧才能引導其中的關係傾向他這一邊。

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馬提斯表示他已深刻了解該公司科技在戰場上的威力。畢竟,美國的敵人都是使用谷歌地球──以衛星影像組合而成的互動式世界數位地圖,來辨識迫擊砲的目標。他強調美國應該加強作戰能力。現在,在專家計畫下,國防部不僅要發展人工智慧,能夠閱讀人造衛星的照片,同時還要能夠分析無人機在更接近戰場的位置所捕捉到的影片。

馬提斯盛讚谷歌「在科技業界的領先地位」與「企業責任上的崇高聲譽」。他表示,這就是他來這兒的一個主要原因。他十分關切人工智慧的道德倫理問題。他表示該公司應該讓國防部「感到如芒在背」──以此來反制其傳統的態度。他說道:「國防部歡迎你們的理念。」

在桌子另一側的皮采表示,谷歌經常在思考人工智慧的倫理問題。他指出,愈來愈多的壞人會使用這類科技,因此讓好人領先是重中之重。馬提斯問谷歌能否將一些道德與倫理下的規則予以編碼輸入系統之內──谷歌人員心知肚明這是一個不切實際的選項。

主持谷歌人工智慧研發工作的約翰.吉安南德雷亞(John Giannandrea)強調,這些系統最終都需仰賴其訓練數據的品質。但是谷歌的法律總顧問採用不同的說詞。他表示,這些科技具有拯救生命的巨大潛能。

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美國國防部多次拜訪 Google,討論關於自主性武器的計畫。圖/wikipedia

九月底,在馬提斯造訪谷歌總部的一個多月後,谷歌簽下參與專家計畫相關工作為期三年的合約,總值在二千五百萬美元到三千萬美元之間,其中一千五百萬美元必須在頭十八個月內付清。對谷歌來說,這只是一筆小數目,而且其中一部分還必須與其他參與合約的人分享,不過該公司著眼的是放長線釣大魚。

就在同一個月,國防部邀請美國企業參與 JEDI 的競標,這是聯合企業防禦架構(Joint Enterprise Defense Infrastructure)的縮寫,是一筆為期十年、高達一百億美元的合約,主要是提供國防部應用核心科技所需的雲端運算服務。問題在於谷歌爭取 JEDI 合約時,是否會公開其參與專家計畫與未來其他可能的政府合約的事實。

AI 圈的呼籲:禁止自主性武器!

在國防部參訪谷歌總部的三週後,生命未來研究所發表了一封公開信,呼籲聯合國禁止他們所謂的「殺手機器人」(killer robot),這是對自主性武器的另一個稱呼。

「針對企業界製造的人工智慧與機器人科技可能會被重新利用發展自主性武器,我們特別覺得有責任提出警告,」公開信寫道,「致命的自主性武器極有可能引發戰爭型態的第三次革命。一旦發展出來,軍事衝突的規模勢必遠大於過去,而且發動速度之快也將遠超過人們的理解。」

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該封公開信獲得人工智慧圈內逾百人的簽署,包括不時對超智慧威脅發出警告的馬斯克,此外還有辛頓、深度心智創辦人哈薩比斯與蘇萊曼。

蘇萊曼認為,這些科技需要一種新型態的監管。「是誰在做未來有一天將會影響這個星球數十億人口的決策?又是誰在參與此一決策過程?」他問道,「我們必須分散此一決策過程的參與者,這也代表監管人士必須在一開始就參與決策──政策制定者、公民社會行動人士,以及我們這些科技服務的對象──應該讓他們深入參與我們產品的創造與了解我們的演算法。」

自主性武器極有可能引發戰爭型態的第三次革命。圖/envatoelements

未公開真相:人工智慧武器化

九月,谷歌準備簽下專家計畫的合約,負責審查該協議的銷售人員相互以電子郵件討論公司是否該將合約公開。「我們應該宣布嗎?我們能談論報酬嗎?我們提供給政府的指示是什麼?」谷歌一位人員寫道,「如果我們保持沉默,我們就無法控制相關的訊息。這對我們的品牌形象沒有好處。」他最終認為谷歌應該發布此一新聞,其他人也同意。

「這個消息最後一定會流出去,」另一位谷歌人員寫道,「還不如照我們自己的方式發布。」這樣的討論持續了好幾天,期間某人說服了李飛飛。李飛飛為這項合約喝采。「我們即將拿到專家計畫實在太棒了!這是一個了不起的成就,」她寫道,「你們的表現太好了!謝謝你們!」但是她也提醒在宣傳時必須格外謹慎。

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「我認為我們應從一般雲端科技的角度,就國防部與 GCP 間的合作來進行公關活動,」她寫道,她所謂的 GCP 指的是谷歌雲端平台(Google Cloud Platform),「不過要不惜代價避免提到人工智慧,或是有任何相關暗示。」她知道媒體界一定會質疑該計畫的道德倫理問題,即使只是因為馬斯克挑起過這個話題:

人工智慧武器化就算不是人工智慧現今最敏感的議題,也是最敏感的之一。媒體界都等不及利用這個議題來打擊谷歌。你們大概聽過伊隆.馬斯克有關人工智慧會引發第三次世界大戰的言論。媒體界現在都十分關注人工智慧武器、國際競爭,以及人工智慧可能造成的地緣政治緊張情勢。

谷歌在人工智慧與數據方面已經有一些與隱私相關的議題需要處理,如果媒體界又找到谷歌正在發展人工智慧武器或是為國防產業提供可以武器化的人工智慧科技話題,我真不知道還會演變成什麼樣子。谷歌雲端 2017 年的主題就是在於推動人工智慧的民主化。我會超級謹慎維護這些正面的形象。

谷歌到頭來並未宣布這項計畫,並且還要求國防部也不要公開。即使是公司內部人員也必須靠自己才能知道這項計畫。

——本文摘自《AI製造商沒說的祕密: 企業巨頭的搶才大戰如何改寫我們的世界?》,2022 年 8 月,時報出版,未經同意請勿轉載。

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時報出版_96
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出版品包括文學、人文社科、商業、生活、科普、漫畫、趨勢、心理勵志等,活躍於書市中,累積出版品五千多種,獲得國內外專家讀者、各種獎項的肯定,打造出無數的暢銷傳奇及和重量級作者,在台灣引爆一波波的閱讀議題及風潮。

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從PD-L1到CD47:癌症免疫療法進入3.5代時代
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/25 ・4544字 ・閱讀時間約 9 分鐘

本文與 TRPMA 台灣研發型生技新藥發展協會合作,泛科學企劃執行

如果把癌細胞比喻成身體裡的頭號通緝犯,那誰來負責逮捕?

許多人第一時間想到的,可能是化療、放療這些外來的「賞金獵人」。但其實,我們體內早就駐紮著一支最強的警察部隊「免疫系統」。

既然「免疫系統」的警力這麼堅強,為什麼癌症還是屢屢得逞?關鍵就在於:癌細胞是偽裝高手。有的會偽造「良民證」,騙過免疫系統的菁英部隊;更厲害的,甚至能直接掛上「免查通行證」,讓負責巡邏的免疫細胞直接視而不見,大搖大擺地溜過。

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過去,免疫檢查點抑制劑的問世,為癌症治療帶來突破性的進展,成功撕下癌細胞的偽裝,也讓不少患者重燃希望。不過,目前在某些癌症中,反應率仍只有兩到三成,顯示這條路還有優化的空間。

今天,我們要來聊的,就是科學家如何另闢蹊徑,找出那些連「通緝令」都發不出去的癌細胞。這個全新的免疫策略,會是破解癌症偽裝的新關鍵嗎?

科學家如何另闢蹊徑,找出那些連「通緝令」都發不出去的癌細胞。這個全新的免疫策略,會是破解癌症偽裝的新關鍵嗎?/ 圖片來源:shutterstock

免疫療法登場:從殺敵一千到精準出擊

在回答問題之前,我們先從人類對抗癌症的「治療演變」說起。

最早的「傳統化療」,就像威力強大的「七傷拳」,殺傷力高,但不分敵我,往往是殺敵一千、自損八百,副作用極大。接著出現的「標靶藥物」,則像能精準出招的「一陽指」,能直接點中癌細胞的「穴位」,大幅減少對健康細胞的傷害,副作用也小多了。但麻煩的是,癌細胞很會突變,用藥一段時間就容易產生抗藥性,這套點穴功夫也就漸漸失靈。

直到這個世紀,人類才終於領悟到:最強的武功,是驅動體內的「原力」,也就是「重新喚醒免疫系統」來對付癌症。這場關鍵轉折,也開啟了「癌症免疫療法」的新時代。

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你可能不知道,就算在健康狀態下,平均每天還是會產生數千個癌細胞。而我們之所以安然無恙,全靠體內那套日夜巡邏的「免疫監測 (immunosurveillance)」機制,看到癌細胞就立刻清除。但,癌細胞之所以難纏,就在於它會發展出各種「免疫逃脫」策略。

免疫系統中,有一批受過嚴格訓練的菁英,叫做「T細胞」,他們是執行最終擊殺任務的霹靂小組。狡猾的癌細胞為了躲過追殺,會在自己身上掛出一張「偽良民證」,這個偽裝的學名,「程序性細胞死亡蛋白配體-1 (programmed death-ligand 1, PD-L1) 」,縮寫PD-L1。

當T細胞來盤查時,T細胞身上帶有一個具備煞車功能的「讀卡機」,叫做「程序性細胞死亡蛋白受體-1 (programmed cell death protein 1, PD-1) 」,簡稱 PD-1。當癌細胞的 PD-L1 跟 T細胞的 PD-1 對上時,就等於是在說:「嘿,自己人啦!別查我」,也就是腫瘤癌細胞會表現很多可抑制免疫 T 細胞活性的分子,這些分子能通過免疫 T 細胞的檢查哨,等於是通知免疫系統無需攻擊的訊號,因此 T 細胞就真的會被唬住,轉身離開且放棄攻擊。

這種免疫系統控制的樞紐機制就稱為「免疫檢查點 (immune checkpoints)」。而我們熟知的「免疫檢查點抑制劑」,作用就像是把那張「偽良民證」直接撕掉的藥物。良民證一失效,T細胞就能識破騙局、發現這是大壞蛋,重新發動攻擊!

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狡猾的癌細胞為了躲過追殺,會在自己身上掛出一張「偽良民證」,也就是「程序性細胞死亡蛋白配體-1 (programmed death-ligand 1, 縮寫PD-L1) 」/ 圖片來源:shutterstock

目前免疫療法已成為晚期癌症患者心目中最後一根救命稻草,理由是他們的體能可能無法負荷化療帶來的副作用;標靶藥物雖然有效,不過在用藥一段期間後,終究會出現抗藥性;而「免疫檢查點抑制劑」卻有機會讓癌症獲得長期的控制。

由於免疫檢查點抑制劑是借著免疫系統的刀來殺死腫瘤,所以有著毒性較低並且治療耐受性較佳的優勢。對免疫檢查點抑制劑有治療反應的患者,也能獲得比起化療更長的存活期,以及較好的生活品質。

不過,儘管免疫檢查點抑制劑改寫了治癌戰局,這些年下來,卻仍有些問題。

CD47來救?揭開癌細胞的「免死金牌」機制

「免疫檢查點抑制劑」雖然帶來治療突破,但還是有不少挑戰。

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首先,是藥費昂貴。 雖然在台灣,健保於 2019 年後已有條件給付,但對多數人仍是沉重負擔。 第二,也是最關鍵的,單獨使用時,它的治療反應率並不高。在許多情況下,大約只有 2成到3成的患者有效。

換句話說,仍有七到八成的患者可能看不到預期的效果,而且治療反應又比較慢,必須等 2 至 3 個月才能看出端倪。對患者來說,這種「沒把握、又得等」的療程,心理壓力自然不小。

為什麼會這樣?很簡單,因為這個方法的前提是,癌細胞得用「偽良民證」這一招才有效。但如果癌細胞根本不屑玩這一套呢?

想像一下,整套免疫系統抓壞人的流程,其實是這樣運作的:當癌細胞自然死亡,或被初步攻擊後,會留下些許「屍塊渣渣」——也就是抗原。這時,體內負責巡邏兼清理的「巨噬細胞」就會出動,把這些渣渣撿起來、分析特徵。比方說,它發現犯人都戴著一頂「大草帽」。

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接著,巨噬細胞會把這個特徵,發布成「通緝令」,交給其他免疫細胞,並進一步訓練剛剛提到的菁英霹靂小組─T細胞。T細胞學會辨認「大草帽」,就能出發去精準獵殺所有戴著草帽的癌細胞。

當癌細胞死亡後,會留下「抗原」。體內的「巨噬細胞」會採集並分析這些特徵,並發布「通緝令」給其它免疫細胞,T細胞一旦學會辨識特徵,就能精準出擊,獵殺所有癌細胞。/ 圖片來源:shutterstock

而PD-1/PD-L1 的偽裝術,是發生在最後一步:T 細胞正準備動手時,癌細胞突然高喊:「我是好人啊!」,來騙過 T 細胞。

但問題若出在第一步呢?如果第一關,巡邏的警察「巨噬細胞」就完全沒有察覺這些屍塊有問題,根本沒發通緝令呢?

這正是更高竿的癌細胞採用的策略:它們在細胞表面大量表現一種叫做「 CD47 」的蛋白質。這個 CD47 分子,就像一張寫著「自己人,別吃我!」的免死金牌,它會跟巨噬細胞上的接收器─訊號調節蛋白α (Signal regulatory protein α,SIRPα) 結合。當巨噬細胞一看到這訊號,大腦就會自動判斷:「喔,這是正常細胞,跳過。」

結果會怎樣?巨噬細胞從頭到尾毫無動作,癌細胞就大搖大擺地走過警察面前,連罪犯「戴草帽」的通緝令都沒被發布,T 細胞自然也就毫無頭緒要出動!

這就是為什麼只阻斷 PD-L1 的藥物反應率有限。因為在許多案例中,癌細胞連進到「被追殺」的階段都沒有!

為了解決這個問題,科學家把目標轉向了這面「免死金牌」,開始開發能阻斷 CD47 的生物藥。但開發 CD47 藥物的這條路,可說是一波三折。

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不只精準殺敵,更不能誤傷友軍

研發抗癌新藥,就像打造一把神兵利器,太強、太弱都不行!

第一代 CD47 藥物,就是威力太強的例子。第一代藥物是強效的「單株抗體」,你可以想像是超強力膠帶,直接把癌細胞表面的「免死金牌」CD47 封死。同時,這個膠帶尾端還有一段蛋白質IgG-Fc,這段蛋白質可以和免疫細胞上的Fc受體結合。就像插上一面「快來吃我」的小旗子,吸引巨噬細胞前來吞噬。

問題來了!CD47 不只存在於癌細胞,全身上下的正常細胞,尤其是紅血球,也有 CD47 作為自我保護的訊號。結果,第一代藥物這種「見 CD47 就封」的策略,完全不分敵我,導致巨噬細胞連紅血球也一起攻擊,造成嚴重的貧血問題。

這問題影響可不小,導致一些備受矚目的藥物,例如美國製藥公司吉立亞醫藥(Gilead)的明星藥物 magrolimab,在2024年2月宣布停止開發。它原本是預期用來治療急性骨髓性白血病(AML)的單株抗體藥物。

太猛不行,那第二代藥物就改弱一點。科學家不再用強效抗體,而是改用「融合蛋白」,也就是巨噬細胞身上接收器 SIRPα 的一部分。它一樣會去佔住 CD47 的位置,但結合力比較弱,特別是跟紅血球的 CD47 結合力,只有 1% 左右,安全性明顯提升。

像是輝瑞在 2021 年就砸下 22.6 億美元,收購生技公司 Trillium Therapeutics 來開發這類藥物。Trillium 使用的是名為 TTI-621 和 TTI-622 的兩種融合蛋白,可以阻斷 CD47 的反應位置。但在輝瑞2025年4月29號公布最新的研發進度報告上,TTI-621 已經悄悄消失。已經進到二期研究的TTI-622,則是在6月29號,研究狀態被改為「已終止」。原因是「無法招募到計畫數量的受試者」。

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但第二代也有個弱點:為了安全,它對癌細胞 CD47 的結合力,也跟著變弱了,導致藥效不如預期。

於是,第三代藥物的目標誕生了:能不能打造一個只對癌細胞有超強結合力,但對紅血球幾乎沒反應的「完美武器」?

為了找出這種神兵利器,科學家們搬出了超炫的篩選工具:噬菌體(Phage),一種專門感染細菌的病毒。別緊張,不是要把病毒打進體內!而是把它當成一個龐大的「鑰匙資料庫」。

科學家可以透過基因改造,再加上AI的協助,就可以快速製造出數億、數十億種表面蛋白質結構都略有不同的噬菌體模型。然後,就開始配對流程:

  1. 先把這些長像各異的「鑰匙」全部拿去試開「紅血球」這把鎖,能打開的通通淘汰!
  2. 剩下的再去試開「癌細胞」的鎖,從中挑出結合最強、最精準的那一把「神鑰」!

接著,就是把這把「神鑰」的結構複製下來,大量生產。可能會從噬菌體上切下來,或是定序入選噬菌體的基因,找出最佳序列。再將這段序列,放入其他表達載體中,例如細菌或是哺乳動物細胞中來生產蛋白質。最後再接上一段能號召免疫系統來攻擊的「標籤蛋白 IgG-Fc」,就大功告成了!

目前這領域的領頭羊之一,是美國的 ALX Oncology,他們的產品 Evorpacept 已完成二期臨床試驗。但他們的標籤蛋白使用的是 IgG1,對巨噬細胞的吸引力較弱,需要搭配其他藥物聯合使用。

而另一個值得關注的,是總部在台北的漢康生技。他們利用噬菌體平台,從上億個可能性中,篩選出了理想的融合蛋白 HCB101。同時,他們選擇的標籤蛋白 IgG4,是巨噬細胞比較「感興趣」的類型,理論上能更有效地觸發吞噬作用。在臨床一期試驗中,就展現了單獨用藥也能讓腫瘤顯著縮小的效果以及高劑量對腫瘤產生腫瘤顯著部分縮小效果。因為它結合了前幾代藥物的優點,有人稱之為「第 3.5 代」藥物。

除此之外,還有漢康生技的FBDB平台技術,這項技術可以將多個融合蛋白「串」在一起。例如,把能攻擊 CD47、PD-L1、甚至能調整腫瘤微環境、活化巨噬細胞與T細胞的融合蛋白接在一起。讓這些武器達成 1+1+1 遠大於 3 的超倍攻擊效果,多管齊下攻擊腫瘤細胞。

結語

從撕掉「偽良民證」的 PD-L1 抑制劑,到破解「免死金牌」的 CD47 藥物,再到利用 AI 和噬菌體平台,設計出越來越精準的千里追魂香。 

對我們來說,最棒的好消息,莫過於這些免疫療法,從沒有停下改進的腳步。科學家們正一步步克服反應率不足、副作用等等的缺點。這些努力,都為癌症的「長期控制」甚至「治癒」,帶來了更多的希望。

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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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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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