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你知道五月天可能是最成功的科普大師嗎?

黃俊儒
・2013/07/16 ・3305字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 521 ・七年級

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這個平台集結了許多喜歡科學,也願意談論科學的人。但是平心而論,你生活周遭的這種「科宅」多嗎?依據台灣科學教育過程中,考試領導教學而讓人倒胃口的程度,應該你會碰到更多:「DNA」,蛤?「量子力學」,蛤?「夸克」,蛤?「奈米」,應該跟池上米很像吧?…的狀況吧!

科學普及或推廣的工作如果要能夠在常民生活中生根,並進而開啟各種社會世界間的對話,其實很困難的一件工作。很久以前就有科學教育學者提出,真正的「學習科學」其實就是在學習「談科學」。也就是不管在讀、寫、推理、解題、生活中,都可以用科學的語言來進行溝通或表達。「能談」就代表科學成為你生活中的一部分,不管談得順不順、好不好、對不對;如果「不能談」,科學就不過是你生命中的過客,生不帶來死不去,哪怕你指考矇了高分。

有個著名的義大利科學傳播學者Bucchi就曾談過一個概念叫做「邊界物件」(boundary object),這東西就像是在不同的語意世界中所會共同擁有的一些資產,也許不同語意世界的人對這資產的界定各自不同,但都會對它建構出自己的意義並同時作為與其他世界溝通的基礎。例如「基因」這個科學邊界物件就是很典型的例子,它是我們大家日常生活中耳熟能詳的用語,但是在各種不同的情境中,卻可能各自具有很不同的意義。比方在生物科學實驗室、新聞媒體、商業組織、一般民眾生活等,大家都可以用「基因」這個詞來描述一些事物,意義或許有些的不同,但卻開啟了大家與科學世界溝通的可能。如果要大家透過考試來學會「談科學」,那就省省吧;但是如果可以在文化中多滲透一些好的科學「邊界物件」,那或許會有許多實現的可能。

以臺灣流行音樂界的天團「五月天」為例,2012年他們曾經在北京鳥巢體育場的「五月天2012諾亞方舟世界巡迴演唱會」中,創下單日進場10萬人次的紀錄。即使在臺灣,2008年12月在台灣中山足球場舉辦的「十萬人出頭天」演唱會,進場人數也有6萬五千人左右。當樂團主唱阿信狂放地唱著「DNA」這首歌時,其實已經成功地行銷了這個科學的「邊界物件」。因為在這個過程中,歌迷會自己去協商出這些詞彙對於自己的意義,不論它符不符合科學理論中的精確界定,民眾可以開始親近它、談論它、詮釋它。或許對於許多「科宅」而言,這根本是微不足道的科學接觸(而且五月天科學概念還不一定正確?!),但是對於許多庶民而言,這卻是他們「科學參與」的第一步(很多人可能連這一步都沒有,課本就被丟進垃圾桶了)。如果從這一個角度來看,五月天對於科學傳播工作的貢獻,甚至可能不亞於任何一場科普演講中的科學大師(有哪個大師下面有十萬人在聽的?)。這樣的說法並沒有特別地吹捧五月天之意,而是依據最近的一個研究分析,五月天的歌詞確實是所有流行樂界最具科學素養的,包括阿姆斯壯、輻射塵、DNA、地心引力、落葉劑…都曾寫進歌詞中。

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「流行文化」其實是最好行銷科學的管道,只是好景不常的是,台灣的流行文化鮮少將「科學」作為思考的對象。日本可以拍出《神探伽利略》(請注意,連片名都是厲害的邊界物件),韓國《大長今》裡面有許多厲害的植物、醫藥知識,就連大陸《甄嬛傳》中的滴血認親都有化學知識,我們台灣卻還在《風水世家》。如果再以流行音樂為例,一堆台灣流行音樂的題材中能夠像五月天這樣善用科學題材的好手其實並不多,多數的音樂創作都侷限在一些特定的主題或風格,相較於國外樂手對於科學的善用實在是差距很大。例如蔡健雅有一首〈達爾文〉的歌詞是這樣寫的:

「…有過競爭 有過犧牲 被愛篩選過程 學會認真 學會忠誠 適者才能生存 懂得永恆 得要我們 進化成更好的人 我的青春 有時還蠻單純 相信幸福取決於愛的深 讀進化論 我贊成達爾文沒實力的就有淘汰的可能 我的替身 已換過多少輪 記憶在舊情人心中變冷 我的一生 有幾道旋轉門 轉到了最後只剩你我沒分 懂得永恆 得要我們 進化成更好的人 進化成更好的人…」

詞意中雖然建構了「進化論」、「達爾文」、「適者生存」這幾個重要的科學邊界物件,並且詮釋了「進化成更好」這樣的科學意涵,但是歌曲的重點仍是在表述愛情這件事。就「邊界物件」所能夠發揮的功能而言,這類的歌詞用法理應是投入科學傳播相關工作人士所樂見的。不過如果每一首歌詞所呈顯的訊息都是這類情啊、愛的,科學與流行文化間的連結仍只會停留在一個十分表象的層面。

看看國外是如何?

再看看國外樂手對於科學的使用,首先,與「科學」相關的創作題材就多元許多。例如美國洛杉磯有一個樂團Artichoke曾經以英文字母排序的方式,依序以科學家的名字作為歌名,出版過兩張專輯(每張專輯描述26位科學家的故事),連華裔女物理學家「吳健雄」(Wu, Chien-Shiung)都是其中的一首歌(我們連吳健雄都還搞不太清楚時,國外有人把她寫成歌了)。再例如,英國另類搖滾天團「電台司令」(radiohead)也曾以歐洲的大強子對撞機為題材編寫Supercollider這一首歌。這些歌曲的題材都直指科學活動的核心,是目前台灣流行音樂前所未見的延伸觸角。

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Artichoke曾經以英文字母排序的方式,依序以科學家的名字作為歌名,出版過兩張專輯(每張專輯描述26位科學家的故事),連華裔女物理學家「吳健雄」(Wu, Chien-Shiung)都是其中的一首歌
Artichoke曾經以英文字母排序的方式,依序以科學家的名字作為歌名,出版過兩張專輯(每張專輯描述26位科學家的故事),連華裔女物理學家「吳健雄」(Wu, Chien-Shiung)都是其中的一首歌

其次,在科學知識的類型上,台灣流行音樂獨鐘天文或太空這類的科學知識類型,就像是星星、月亮及太陽等生活化的科學用語,對於其他科學知識的想像相對地貧瘠。對照歐美流行音樂所呈現的題材,例如德國Kraftwerk樂團(前陣子剛剛來台灣)所引領的「robot pop」,不論是表演形式或是音樂內容,都透過電子音樂的呈現來描述身處於資訊與科技時代中的人類處境;英國樂團OMD以當年承載原子彈去執行核爆任務的轟炸機「Enola gay」為歌名,指出人類在能源、能量上負面使用的迷思。類似這樣的科技想像所呈顯出對於科技社會的多元思維,幾乎還沒有在台灣的流行樂壇發生。

最後,台灣歌曲的歌詞即使用了科學的詞彙,但是多以感情及心情的描述居多,很少針對那個「科學活動」本身。當然,流行音樂的存在原本就不是用來「教導科學」,因此透過流行音樂來抒發情感,這是原本就可以理解的狀況。但是使用了科學的詞彙,其意涵卻多不是用來描述「科學/科技」,並且比例懸殊,這就實在匪夷所思。例如前述蔡健雅〈達爾文〉的歌詞,清一色透過進化論來說明愛情的糾葛。但是歐美的樂曲中,達爾文及進化論就可以有許多不同層面意義的述說,例如1978年美國的後龐克樂團DEVO,以反進化(de-evolution)的概念來消遣科技的發展對於人類可能帶來的違反達爾文進化論的作用;義大利Banco del mutuo soccorso樂團,以一張名為Darwin的概念專輯討論人類進化的問題;美國的「心靈矇蔽合唱團」(third eye blind)也有一首Darwin,是透過進化論的概念探討人類進化過程中信念及信仰的意義,這些歌曲都不僅是作為情感或個人心理狀態上的抒發。

流行文化擁有普遍性及深入庶民生活的特質,無疑是一個導引民眾參與科學最強而有力的媒介工具。台灣目前有許多棘手的科技議題,例如核電、能源、食品安全、氣候風險…等,都很需要一般民眾的參與意見。這些議題有許多都是需要仰賴大家在日常生活中一點一滴的累積,在養成「談科學」的習慣後,方能有更進一步的參與及決策。也就是說,我們的底層文化中,需要更多、更多的「科學邊界物件」來協助大家親近科學,這是一個需要長期累積的歷程。以核四議題為例,如果過去民眾對於核電問題壓根「很少談」,有一天大家突然瘋狂地對擁核或反核積極表態,這種像「一日球迷」般的「一日核迷」,才真需要讓人捏把冷汗。

目前台灣流行音樂所唱的「科學」很多是「單調」與「變調」的科學,距離作為一個合適與稱職的邊界物件,尚有漫漫長路。如果有一天,我們看見許多的樂團將科技議題寫進歌詞,看見偶像劇的帥氣主角是科學家,街頭藝人在展演科學魔術、電影的故事背景是海生館…,或許這會是可以慶幸科學在我們文化中紮根的時候。

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黃俊儒
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中正大學通識教育中心教授。 長期關心科學傳播的工作,主張推廣科學不能只是上對下的關係,不能只是榮耀的崇拜,更不能只是逸樂化的軟柿子。 勉勵自己仔細地在各種不同的層面上,找出科學與一般大眾、市井小民、販夫走卒間,在生命上的共鳴與交會。 著有《別輕易相信!你必須知道的科學偽新聞》一書。

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揭密突破製程極限的關鍵技術——原子層沉積
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/08/30 ・3409字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文由 ASM 委託,泛科學企劃執行。 

以人類現在的科技,我們能精準打造出每一面牆只有原子厚度的房子嗎?在半導體的世界,我們做到了!

如果將半導體製程比喻為蓋房子,「薄膜製程」就像是在晶片上堆砌層層疊疊的磚塊,透過「微影製程」映照出房間布局 — 也就是電路,再經過蝕刻步驟雕出一格格的房間 — 電晶體,最終形成我們熟悉的晶片。為了打造出效能更強大的晶片,我們必須在晶片這棟「房子」大小不變的情況下,塞進更多如同「房間」的電晶體。

因此,半導體產業內的各家大廠不斷拿出壓箱寶,一下發展環繞式閘極、3D封裝等新設計。一下引入極紫外曝光機,來刻出更微小的電路。但別忘記,要做出這些複雜的設計,你都要先有好的基底,也就是要先能在晶圓上沉積出一層層只有數層原子厚度的材料。

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現在,這道薄膜製程成了電晶體微縮的一大關鍵。原子是物質組成的基本單位,直徑約0.1奈米,等於一根頭髮一百萬分之一的寬度。我們該怎麼精準地做出最薄只有原子厚度,而且還要長得非常均勻的薄膜,例如說3奈米就必須是3奈米,不能多也不能少?

這唯一的方法就是原子層沉積技術(ALD,Atomic Layer Deposition)。

蓋房子的第一步是什麼?沒錯,就是畫設計圖。只不過,在半導體的世界裡,我們不需要大興土木,就能將複雜的電路設計圖直接印到晶圓沉積的材料上,形成錯綜複雜的電路 — 這就是晶片製造的最重要的一環「微影製程」。

首先,工程師會在晶圓上製造二氧化矽或氮化矽絕緣層,進行第一次沉積,放上我們想要的材料。接著,為了在這層材料上雕出我們想要的電路圖案,會再塗上光阻劑,並且透過「曝光」,讓光阻劑只留下我們要的圖案。一次的循環完成後,就會換個材料,重複沉積、曝光、蝕刻的流程,這就像蓋房子一樣,由下而上,蓋出每個樓層,最後建成摩天大樓。

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薄膜沉積是關鍵第一步,基底的品質決定晶片的穩定性。但你知道嗎?不只是堆砌磚塊有很多種方式,薄膜沉積也有多樣化的選擇!在「薄膜製程」中,材料學家開發了許多種選擇來處理這項任務。薄膜製程大致可分為物理和化學兩類,物理的薄膜製程包括蒸鍍、濺鍍、離子鍍、物理氣相沉積、脈衝雷射沉積、分子束磊晶等方式。化學的薄膜製程包括化學氣相沉積、化學液相沉積等方式。不同材料和溫度條件會選擇不同的方法。

二氧化矽、碳化矽、氮化矽這些半導體材料,特別適合使用化學氣相沉積法(CVD, Chemical Vapor Deposition)。CVD 的過程也不難,氫氣、氬氣這些用來攜帶原料的「載氣」,會帶著要參與反應的氣體或原料蒸氣進入反應室。當兩種以上的原料在此混和,便會在已被加熱的目標基材上產生化學反應,逐漸在晶圓表面上長出我們的目標材料。

如果我們想增強半導體晶片的工作效能呢?那麼你會需要 CVD 衍生的磊晶(Epitaxy)技術!磊晶的過程就像是在為房子打「地基」,只不過這個地基的每一個「磚塊」只有原子或分子大小。透過磊晶,我們能在矽晶圓上長出一層完美的矽晶體基底層,並確保這兩層矽的晶格大小一致且工整對齊,這樣我們建造出來的摩天大樓就有最穩固、扎實的基礎。磊晶技術的精度也是各公司技術的重點。

雖然 CVD 是我們最常見的薄膜沉積技術,但隨著摩爾定律的推進,發展 3D、複雜結構的電晶體構造,薄膜也開始需要順著結構彎曲,並且追求精度更高、更一致的品質。這時 CVD 就顯得力有未逮。

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並不是說 CVD 不能用,實際上,不管是 CVD 還是其他薄膜製程技術,在半導體製程中仍占有重要地位。但重點是,隨著更小的半導體節點競爭愈發激烈,電晶體的設計也開始如下圖演變。

圖/Shutterstock

看出來差別了嗎?沒錯,就是構造越變越複雜!這根本是對薄膜沉積技術的一大考驗。

舉例來說,如果要用 CVD 技術在如此複雜的結構上沉積材料,就會出現像是清洗杯子底部時,有些地方沾不太到洗碗精的狀況。如果一口氣加大洗碗精的用量,雖然對杯子來說沒事,但對半導體來說,那些最靠近表層的地方,就會長出明顯比其他地方厚的材料。

該怎麼解決這個問題呢?

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CVD 容易在複雜結構出現薄膜厚度不均的問題。圖/ASM

材料學家的思路是,要找到一種方法,讓這層薄膜長到特定厚度時就停止繼續生長,這樣就能確保各處的薄膜厚度均勻。這種方法稱為 ALD,原子層沉積,顧名思義,以原子層為單位進行沉積。其實,ALD 就是 CVD 的改良版,最大的差異在所選用的化學氣體前驅物有著顯著的「自我侷限現象」,讓我們可以精準控制每次都只鋪上一層原子的厚度,並且將一步驟的反應拆為兩步驟。

在 ALD 的第一階段,我們先注入含有 A 成分的前驅物與基板表面反應。在這一步,要確保前驅物只會與基板產生反應,而不會不斷疊加,這樣,形成的薄膜,就絕對只有一層原子的厚度。反應會隨著表面空間的飽和而逐漸停止,這就稱為自我侷限現象。此時,我們可以通入惰性氣體將多餘的前驅物和副產物去除。在第二階段,我們再注入含有 B 成分的化學氣體,與早已附著在基材上的 A 成分反應,合成為我們的目標材料。

透過交替特殊氣體分子注入與多餘氣體分子去除的化學循環反應,將材料一層一層均勻包覆在關鍵零組件表面,每次沉積一個原子層的薄膜,我們就能實現極為精準的表面控制。

你知道 ALD 領域的龍頭廠商是誰嗎?這個隱形冠軍就是 ASM!ASM 是一家擁有 50 年歷史的全球領先半導體設備製造廠商,自 1968 年,Arthur del Prado 於荷蘭創立 ASM 以來,ASM 一直都致力於推進半導體製程先進技術。2007 年,ASM 的產品 Pulsar ALD 更是成為首個運用在量產高介電常數金屬閘極邏輯裝置的沉積設備。至今 ASM 不僅在 ALD 市場佔有超過 55% 的市佔率,也在 PECVD、磊晶等領域有著舉足輕重的重要性。

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ASM 一直持續在快速成長,現在在北美、歐洲、及亞洲等地都設有技術研發與製造中心,營運據點廣布於全球 15 個地區。ASM 也很看重有「矽島」之稱的台灣市場,目前已在台灣深耕 18 年,於新竹、台中、林口、台南皆設有辦公室,並且在 2023 年於南科設立培訓中心,高雄辦公室也將於今年年底開幕!

當然,ALD 也不是薄膜製程的終點。

ASM 是一家擁有 50 年歷史的全球領先半導體設備製造廠商。圖/ASM

最後,ASM 即將出席由國際半導體產業協會主辦的 SEMICON Taiwan 策略材料高峰論壇和人才培育論壇,就在 9 月 5 號的南港展覽館。如果你想掌握半導體產業的最新趨勢,絕對不能錯過!

圖片來源/ASM

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美國將玉米乙醇列入 SAF 前瞻政策,它真的能拯救燃料業的高碳排處境嗎?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/09/06 ・2633字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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本文由 美國穀物協會 委託,泛科學企劃執行。

你加過「酒精汽油」嗎?

2007 年,從台北的八座加油站開始,民眾可以在特定加油站選加「E3 酒精汽油」。

所謂的 E3,指的是汽油中有百分之 3 改為酒精。如果你在其他國家的加油站看到 E10、E27、E100 等等的標示,則代表不同濃度,最高到百分之百的酒精。例如美國、英國、印度、菲律賓等國家已經開放到 E10,巴西則有 E27 和百分之百酒精的 E100 選項可以選擇。

圖片來源:Hanskeuken / Wikipedia

為什麼要加酒精呢?

單論玉米乙醇來說,碳排放趨近於零。為什麼呢?因為從玉米吸收二氧化碳與水進行光合作、生長、成熟,接著被採收,發酵成為玉米乙醇,最後燃燒成二氧化碳與水蒸氣回到大氣中。這一整趟碳循環與水循環,淨排放都是 0,是個零碳的好燃料來源。

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圖片來源:shutterstock

當然,我們無法忽略的是燃料運輸、儲藏、以及製造生產設備時產生的碳足跡。即使如此,美國農業部經過評估分析,2017 發表的報告指出,玉米乙醇生命週期的碳排放量比汽油少了 43%。

「玉米乙醇」納入 SAF(永續航空燃料)前瞻性指引的選項之一

航空業占了全球碳排的 2.5%,而根據國際民用航空組織(ICAO)的預測,這個數字還會成長,2050 年全球航空碳排放量將會來到 2015 年的兩倍。這也使得以生質原料為首的「永續航空燃料」SAF,開始成為航空業減碳的關鍵,及投資者關注的新興科技。

只要燃料的生產符合永續,都可被歸類為 SAF。目前美國材料和試驗協會規範的 SAF 包含以合成方式製造的合成石蠟煤油 FT-SPK、透過發酵與合成製造的異鏈烷烴 SIP。以及近年討論度很高,以食用油為原料進行氫化的 HEFA,以及酒精航空燃料 ATJ(alcohol-to-jet)。

圖片來源:shutterstock

每種燃料的原料都不相同,因此需要的技術突破也不同。例如 HEFA 是將食用油重新再造成可用的航空燃料,因此製造商會從百萬間餐廳蒐集廢棄食用油,再進行「氫化」。

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就引擎來說,我們當然也希望用到穩定的油。因此需要氫化來將植物油轉化為如同動物油般的飽和脂肪酸。氫化會打斷雙鍵,以氫原子佔據這些鍵結,讓氫在脂肪酸上「飽和」。此時因為穩定性提高,不易氧化,適合保存並減少對引擎的負擔。

至於酒精加工為酒精航空燃料 ATJ 的流程。乙醇會先進行脫水為乙烯,接著聚合成約 6~16 碳原子長度的長鏈烯烴。最後一樣進行氫化打斷雙鍵,成為長鏈烷烴,性質幾乎與傳統航空燃料一模一樣。

ATJ 和 HEFA 雖然都會經過氫化,但 ATJ 的反應中所需要的氫氣大約只有一半。另外,HEFA 取用的油品來源來自餐廳,雖然是幫助廢油循環使用的好方法,但供應多少比較不穩定。相對的,因為 ATJ 來源是玉米等穀物,通常農地會種植專門的玉米品種進行生質乙醇的生產,因此來源相對穩定。

但不論是哪一種 SAF,都有積極發展的價值。而航空業也不斷有新消息,例如阿聯酋航空在 2023 年也成功讓波音 777 以 100% 的 SAF 燃料完成飛行,締下創舉。

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圖片來源:shutterstock

汽車業也需要作出重要改變

根據長年推動低碳交通的國際組織 SLoCaT 分析,在所有交通工具的碳排放中,航空業佔了其中的 12%,而公路交通則占了 77%。沒錯,航空業雖然佔了全球碳排的 2.5%,但真正最大宗的碳排來源,還是我們的汽車載具。

但是這個新燃料會不會傷害我們的引擎呢?有人擔心,酒精可能會吸收空氣中的水氣,對機械設備造成影響?

其實也不用那麼擔心,畢竟酒精汽油已經不只是使用一、二十年的東西了。美國聯邦政府早在 1978 就透過免除 E10 的汽油燃料稅,來推廣添加百分之 10 酒精的低碳汽油。也就是說,酒精汽油的上路試驗已經快要 50 年。

有那麼多的研究數據在路上跑,當然不能錯過這個機會。美國國家可再生能源實驗室也持續進行調查,結果發現,由於 E10 汽油摻雜的比例非常低,和傳統汽油的化學性質差異非常小,這 50 年來的車輛,只要符合國際標準製造,都與 E10 汽油完全相容。

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解惑:這些生質酒精的來源原料是否符合永續的精神嗎?

在環保議題裡,這種原本以為是一片好心,最後卻是環境災難的案例還不少。玉米乙醇也一樣有相關規範,例如歐盟在再生能源指令 RED II 明確說明,生質乙醇等生物燃料確實有持續性,但必須符合「永續」的標準,並且因為使用的原料是穀物,因此需要確保不會影響糧食供應。

好消息是,隨著目標變明確,專門生產生質酒精的玉米需求增加,這也帶動品種的改良。在美國,玉米產量連年提高,種植總面積卻緩步下降,避開了與糧爭地的問題。

另外,單位面積產量增加,也進一步降低收穫與運輸的複雜度,總碳排量也觀察到下降的趨勢,讓低碳汽油真正名實相符。

隨著航空業對永續航空燃料的需求抬頭,低碳汽油等生質燃料或許值得我們再次審視。看看除了鋰電池車、氫能車以外,生質燃料車,是否也是個值得加碼投資的方向?

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參考資料

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量子科技即將走入生活?最有趣的科學知識傳播 QuBear 量子熊,來了!
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・2023/07/10 ・676字 ・閱讀時間約 1 分鐘

不知從什麼時候,「量子」取代了磁場、奈米,成了時興的名詞。特別是把量子與資訊兜在一起,無論是在科學或是科技上,都深具潛力。或許有一天,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。

這樣的日子可能真的不遠了。

為了因應量子科技時代的來臨,行政院在 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。

「量子熊 QuBear」身為量子國家隊的推廣擔當,針對年輕世代學子,激發量子科學與科技的興趣與瞭解,將全力推動 Quantum PAY,以三大多元管道「Podcast、 Article、YouTube」進行知識傳播,內容類型含括播客、文章跟影音短片。量子熊 QuBear 除了打造線上平台,更製作多個 quantum PAY 學習模組,努力朝著建立量子熊的微學習平台,以及建構長遠的科學知識傳播生態圈的目標前進。

最後,你或許會好奇,量子熊的名字是怎麼來的?

量子電腦的核心技術是量子位元 (qubit)。英文發音快一點,就跟 QuBear 有點相似,於是就裝個可愛,叫做量子熊啦!

記得看到量子熊時,幫忙按讚、訂閱,還有~開啟小鈴鐺~https://www.youtube.com/channel/UCkWM3vYaCd_VoPHQ1hrUdzA

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