量子照相機－量子物理開啟了影像記錄的新世代

本文與 Panasonic 合作，泛科學撰文 

●以下科學研究內容作為知識分享，不直接與Panasonic A La Uno全自動洗淨馬桶產品功能連結

在做家務的痛苦排行榜上，「刷馬桶」絕對名列前茅。明明天天都在沖水，但過不了幾天，馬桶內壁邊角總會浮現黃黃的水垢、角落發黑的霉斑，甚至是那些刷掉又長出來的粉紅色污垢（黏質沙雷氏菌）。

許多市售衛浴設備常標榜「神奇抗污」或「永久不沾」，讓人誤以為安裝後便能永保潔淨。然而從材料科學的角度來看，世上並無能使污垢憑空消失的魔法。所謂「耐污」的實質機制，並非打造完全不沾染髒污的材質，而是調整表面的物理與化學屬性，使水垢和微生物難以強力附著。一旦降低了污垢與內壁之間的附著力，透過日常水流沖刷，便能輕易地將髒污帶走。

為什麼污垢「黏不住」？ 

要搞懂為什麼某些特殊表面能做到「耐污」，我們得先像偵探一樣，拆解馬桶裡的髒污究竟是怎麼「抓緊」材料表面的。馬桶內壁的污垢主要有兩大難纏的元兇：

1. 水垢與礦物沉積*1：我們日常使用的自來水中含有鈣、鎂等金屬離子。當水滴在表面經歷反覆的濕潤與蒸發乾燥循環時，這些離子會逐漸結晶析出，變成硬度極高、緊緊「卡」在微觀縫隙裡的礦物質水垢。
2. 生物膜與有機物*2：包含尿液中的無機鹽、油脂殘留，以及細菌入侵後分泌出像超強膠水一般的聚合物，所組成的黏滑防禦大本營。

這兩大類污垢想要在材料上「落腳」，前提是它們必須能在表面找到足夠的附著點與黏合力。那麼，材料科學家是如何讓這些髒污「站不穩」的呢？答案就藏在「表面能（Surface Energy）」與「濕潤性（Wettability）」這兩個核心概念中。

當我們把水滴在某個表面上時，水滴會聚成一顆圓滾滾的水珠，還是迅速攤平開來？這取決於表面的特性：

• 疏水路線（Hydrophobic）*1：具備低表面能的疏水表面，能顯著減少水分子或污染物與表面之間的極性作用力與氫鍵。水滴在這種表面上會因為表面張力而收縮成水珠，當水珠滾動滑落時，就能順便把表面的灰塵與礦物質顆粒帶走，這就是著名的「自清潔效應」。
• 親水路線（Hydrophilic / Superhydrophilic）*2：相反地，極度親水的超親水表面則會強烈地吸引水分子，在材料最外層形成一層薄薄的「水化層（Hydration Layer）」。這層水化層就像是實體的液體盾牌，讓油污、蛋白質或細菌無法直接接觸到材料基底，只能漂浮在水膜上方。

如果要用攀岩來比喻：傳統粗糙的表面就像是有許多凹槽的攀岩牆，髒污就像攀岩者，需要找到落腳點並用力撐住才能攀附；而我們做的是抽掉把手點，或是在把手上塗上潤滑油，讓髒污找不到施力點，自然難以停留。

不給細菌「握手」的機會

解決了水垢，下一個更棘手的對手是「細菌」。

馬桶內壁那些黑黑粉粉、摸起來滑滑的污垢，在微生物學中被稱為「生物膜（Biofilm）」。細菌並不是孤立生長的，當單顆細菌落在表面後，如果覺得環境舒適，它就會開始分泌胞外聚合物（EPS），這是一種天然的超強膠水。細菌們用這種膠水把自己與同伴緊緊黏在一起，並築起堅固的防禦堡壘，這時一般的沖水就很難把它們沖洗乾淨了。

根據《Nature Communications》與《Microsystems & Nanoengineering》的學術期刊研究指出，要阻止生物膜形成，除了化學上的抗菌，材料的「表面微幾何結構」扮演了至關重要的角色。

材料科學領域中有一個著名的「附著點理論（Attachment Point Theory）」：

1. 粗糙與微孔洞表面：如果材料表面存在許多微小的裂縫、氣孔或微米級凹洞，細菌（體積通常約 1 到 3 微米）就會興高采烈地鑽進這些小凹槽裡。這些凹槽不僅提供了極佳的機械咬合支點，還能幫細菌擋掉水流的沖刷。
2. 極致平滑與微結構表面：相反地，如果材料表面做到極致平滑，完全沒有微米級的缺陷；或者反過來設計出尺寸遠小於細菌的奈米結構，細菌的足跡構造（如鞭毛或纖毛）就無法在表面找到穩固的「接觸附著點（Contact Points）」。

當細菌發現自己在這個表面上連「手都握不緊」、隨時會被水流吹走時，它就無法順利定殖並分泌膠水築巢。此外，現代衛浴結構在設計時，也越來越強調「一體成形」與「無接縫工藝」。消除接縫與死角，等於直接拔除了細菌與水垢最喜歡的避風港。

當材料、結構與流體科技組隊聯防 

了解了材料化學與微觀幾何，我們就能勾勒出一座現代耐污馬桶的完整防禦體系：【材料層（低附著力）】+【結構層（無縫平滑）】+【動態流體層（泡沫與水流剪切力）】= 高效清潔！

以市面上備受矚目的 Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶為例，就是將材料科學、結構工程與流體力學發揮到極致的典型代表：

1. 材料層：有機玻璃系新素材

A La Uno 全自動洗淨馬桶採新開發的「有機玻璃系新素材」（以壓克力高分子為基礎研發的衛浴專用材料，這類高分子成形技術亦被廣泛運用於大型水族館高壓觀景窗與飛機機艙罩）。這種材料表面具備極佳的疏水性與耐水垢特性，水滴不易長時間攤平停留；材質堅固、不易破裂，耐刮、不易造成細小傷痕。通過實驗測試，這種素材配合泡沫洗淨，在沖洗後能有效沖刷掉高達 99.99% 的大腸桿菌，從源頭阻斷細菌定殖。

2. 結構層：無接縫工藝與三重防濺防護

在宏觀結構上，A La Uno 全自動洗淨馬桶採用無水箱沖水與便器、溫水洗淨便座一體成型設計，減少傳統水箱與座體之間的結構層次及接縫，並搭配可動迴轉式排水系統完成沖洗。更貼心的是其「三重防護」設計：

• 泡沫防護：在水面上製造一層充沛的泡沫緩衝層，有效抑制男性站立小便時的尿液與污水飛濺；
• 外圍防護：馬桶邊界特別設計了高約 3mm 的水檔，防止液體延著外壁滴落至地板；
• 測漏防護：便座與馬桶本體採用不外露的防護設計，避免液體從縫隙飛濺滲漏。

3. 動態流體層：雙效泡沫洗淨、漩渦水流與 nanoe™ X

當污垢降落在馬桶內壁時，A La Uno全自動洗淨馬桶 的動態流體科技便接手進行徹底打掃。其「雙效泡沫洗淨」會先釋放直徑約 5mm 的「毫米泡沫」包裹並帶走大塊髒污，再透過直徑約 60微米的「微米泡沫」深入微觀縫隙，徹底溶解殘餘的油脂與細微污垢。接著，配合高度清潔力的「漩渦型強力水流」，利用旋轉產生的流體剪切力，一口氣將附著力已被削弱的污垢剝離並沖走。此外，Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶還搭襯了 nanoe™ X 健康科技，釋放氫氧離子有效抑制異味與髒污，維持空氣與內壁的良好衛生狀態。

科技讓生活變輕鬆，但物理法則依然誠實

從材料化學的低表面能設計，到微觀幾何的附著點控制，再到流體力學的水流沖刷，一座現代抗污馬桶的演進，縮影了人類如何運用基礎科學來解決日常生活痛點的智慧。

我們習慣將衛生清潔想像成一場與細菌髒污的硬碰硬死鬥。然而，A La Uno全自動洗淨馬桶 等現代衛浴技術的突破，展示了材料科學的另一種聰明思維：不靠強酸強鹼硬打，而是透過物理與化學邏輯，將「污垢固著」的機率降到最低。

當材料科學與現代衛浴技術結合，刷馬桶不再是一件令人頭痛的辛苦瑣事。透過這些前沿科技的加持，我們得以從繁重的家務勞動中解放，享受更加乾淨、舒適且有品質的日常生活。

*1 參考論文：A metallic anti-biofouling surface with a hierarchical topography containing nanostructures on curved micro-riblets

*2 參考論文：Brushing up functional materials

在荷蘭，一個強大的企業正在崛起。多年來，這家公司在一項看似不可能的技術上投入了大量資金，後來終於開花結果。2017 年，ASML 宣布新型的EUV機台為公司帶來逾十億歐元的營收。與此同時，ASML在傳統曝光機系統的市占率已攀升至九成。

有另一家公司正咬牙切齒地看著這一切：日本的尼康（Nikon）。1990 年代以前，這家日本科技集團一直是曝光機的市場龍頭，直到 ASML 橫空出世，一舉顛覆市場，奪下霸主的寶座。不過，當你被趕下寶座時，還有一條翻身之路：告上法庭。

2017 年 4 月，尼康第二次對 ASML 提起專利訴訟，連德國光學大廠蔡司的半導體部門也意外捲入其中。日方指控他們在荷蘭侵犯了十一項專利，同時也在德國和日本提出訴訟。一旦法院做出對尼康有利的判決，ASML 將被迫停止在維荷芬的機台生產。儘管已是市場龍頭，生產禁令的威脅仍再次讓 ASML 陷入存亡危機。不過這一次，ASML 早有準備。

ASML 對 2001 年尼康第一次提出的專利控訴記憶猶新。當年那場突如其來的訴訟，最終在 2004 年以交互授權協議落幕。交互授權協議到期前，ASML 曾多次主動接觸尼康商延展事宜，但日方始終不發一語。

相對的，ASML 對任何與日本競爭對手有關的事物都很排斥。你絕對不會看到 ASML 的資深員工使用佳能或尼康的相機。他們寧可選擇奧林巴斯（Olympus）或索尼——畢竟，日本確實生產全球最好的相機。

ASML 相機專利訴訟

這讓 ASML 當時的執行長麥瑞斯（Eric Meurice）想到一個主意，他自認是超棒的點子。2011 年，就在這位法籍執行長卸任的前兩年，他找 ASML 技術長布令克（Martin van den Brink）提出計畫：一旦日方對曝光機提出任何控訴，ASML 就用相機專利反擊，直攻尼康的痛處。麥瑞斯語重心長地警告布令克：「你遲早會遇上麻煩，必須在他們的主場給予反擊，務必要拿到那些專利。」布令克把這個警告牢記在心。他們需要收購專利，而且最好做得神不知鬼不覺。

company.info 的資料庫顯示，2011 年 10 月，一家名為 Tarsium 有限公司的公司成立。這是 ASML 為了躲避尼康律師的法眼而設立的空殼公司。2012 年至 2014 年間，Tarsium 斥資近一千萬歐元，從惠普、全錄、聯發科、美國專利聚合公司高智發明（Intellectual Ventures）等公司收購數位攝影專利。

2014 年交互授權協議到期後，ASML 聘請了智財權領域專家威廉・霍英（Willem Hoyng）。霍英組了一個二十人的律師團隊。2015 年與 2016 年，調解再度失敗，無可避免的法律戰終於爆發。新一輪專利戰就此開打，尼康於 2017 年 4 月 24 日發起首波攻勢後，ASML 馬上祭出祕密武器。4 月 28 日，Tarsium 把所有專利轉讓給 ASML 與蔡司。同一天，這兩家公司就對尼康提出訴訟。

外界得知反訴竟然是針對相機時，都大感意外，這不是有關微影技術的訴訟嗎？幾乎每週五，律師團隊都按要求來到 ASML 腦力激盪。他們認為尼康並不是真的想讓 ASML 停產：他們想要錢，而且是很多錢。但布令克並不打算讓競爭對手予取予求。

法官要求尼康與 ASML 展開協商，但尼康毫無談判意願：他們想先贏一個案件，再拿這個勝訴當籌碼逼 ASML 支付更多的錢。在荷蘭的前四個案件都判 ASML 和蔡司勝訴，但這還不是慶祝的時候，每個案子都攸關公司的存亡。如今與 ASML 已密不可分的蔡司，更是憂心忡忡。

一年半後，轉機終於出現了。2018 年 8 月，美國國際貿易委員會（ITC）裁定，尼康侵犯了 ASML 與蔡司擁有的相機專利。突然間，尼康的相機部門面臨美國的進口禁令，日方開始緊張了。

蔡司 ZX1 相機跳票內幕

身為 ITC 的申訴方，ASML 與蔡司必須證明他們確實蒙受經濟損失，這表示他們需要在美國市場上銷售一款使用到這些專利技術的相機。2018 年秋天，蔡司宣布推出 ZX1 相機。這是一款搭載定焦鏡頭和大型觸控螢幕的數位相機：全黑機身、稜角分明，內建相片編輯軟體和網路連線功能。還配上一個朗朗上口的標語：「拍攝、編修、分享，一氣呵成」。

這個消息讓業界媒體困惑不解。蔡司上次製造相機，還是底片時代。自從 iPhone 問世後，數位相機的銷量就一路下滑，多數人都用手機拍照。蔡司這時居然要進軍這個式微的市場，這是認真的嗎？

蔡司承諾 ZX1 將於 2019 年初上市，但拒絕透露售價。美國分公司的團隊打造了幾台原型機，蔡司也在科隆的世界影像博覽會（Photokina）上發表了這款相機。發表會場面盛大，員工以熱烈掌聲迎接到場的媒體，彷彿整個潮流完全翻轉。

最終，日方讓步。2019 年 1 月 20 日，尼康、ASML 和蔡司共同宣布達成協議：德荷雙方支付尼康 1.5 億歐元（ASML 占 1.31 億），換取其專利使用權至 2029 年，並同意 ASML 未來每台浸潤式設備支付 0.8％ 權利金，遠低於尼康原本的要求。

2019 年 10 月，空殼公司 Tarsium 悄然消失。至於那款 ZX1 相機呢？只有少數評測人員拿到了原型機。一些影片和部落格讚賞它的金屬鏡頭蓋和無聲快門，還附背帶。但這台相機究竟什麼時候才能買到？

ZX1 始終沒有真正開賣，更遑論出貨。每次有攝影師詢問，蔡司的官方回應都是：「我們對相機的每個細節都力求完美。」故事就這樣結束了。到了 2020 年，蔡司改口說 ZX1 只是一台「概念相機」。

不過，ZX1 也不是完全沒留下蹤跡。布令克在他的辦公室裡翻找出一個白色盒子。盒子正面印著「Zeiss ZX1」——包裝依然完整。他把相機舉到眼前，露出笑容。「全新的，不知道能不能用，我從來沒用它拍過照。」

本文摘自《造光者：晶片戰爭中最神秘的關鍵企業，微影巨人ASML制霸未來科技賽局的崛起之路》，2025 年 09 月，天下雜誌出版，未經同意請勿轉載。

我們常用「伸手不見五指」去形容多啦A夢的手，不過這個句話也可以說明一個地方沒有光就看不到東西。這個論述有三個關鍵字：「光」、「看」和「東西」。所謂的「看」或認何一種影像記錄，其實就是以感測器（眼睛、底片或CCD等）去補捉經過「東西」折射或反射後的「光」子。這種「看」的概念，理應牢不可破，但現在面臨到挑戰，一群在維也納從事量子光學研究的科學家利用量子物理的特性設計出一個實驗，讓他們可以透過一道未經過物體的光，拍攝到該物體的影像。為了向量子力學的鼻祖致敬，他們拍攝的物體之一，是一隻貓的輪廓。

這個實驗巧妙地改良了馬克詹達干涉儀（Mach-Zehnder interferometer），將處於「量子糾纏態」（quantum entanglement）的光子對運用其中來完成物體的成像。嗯，不是很懂。沒關係，讓我們先從古典物理的講起，下圖為馬克詹達干涉儀的示意圖，左下角的分光鏡將光源一分為二，產生了兩道同相位的光，其中一道有經過物體、另一道則無，之後二道光會在右上角的分光鏡中會合，因為光波具有疊加特性，而其中一道光經過物體時會產生些微的相位差，因此成像時有干涉條紋的效果。

再來談談愛因斯坦眼中如鬼魅般（spooky）的「量子糾纏態」，wiki百科給的解釋為「兩個粒子在經過短暫時間彼此耦合之後，單獨攪擾其中任意一個粒子，會不可避免地影響到另外一個粒子的性質，儘管兩個粒子之間可能相隔很長一段距離」。以糾纏在一起的光子對而言，他們的波涵數不僅會線性疊加，還有非線性的乘積，因此你中有我、我中有你，當其中一道光被干擾時，另一道光的波涵數也會對應改變。這種糾纏的光子對可以利用雷射光與非線性晶體（non-linear crystal）相互作用而產生。

來看看這個實驗架構吧（如上圖示）！右下角的綠光為雷射光源（Laser），被分光鏡一分為二，會分別經過非線性晶體（NL1 ＆ NL2）而產生二雙糾纏態的光子對，即圖中的紅光及黃光。其中NL1產生的紅光會穿過欲拍攝之物體（Object）再進入NL2，二道黃光則會於另一個分光鏡交會重疊後指向感測器（Camera）。在這個實驗中，因為第一道紅光進入NL2而第二道紅光產自NL2，又二道黃光於觀測前先在分光鏡會合，所以最終的觀測者並不能區分紅光及黃光是由NL1或是NL2所產生，因此保有量子干涉效應（這個概念有一點像費曼的想像實驗）；另一方面，透過量子糾繞態的關連，通過物體的紅光所承載之影像資訊亦會影響黃光的波涵數，因此接收黃光的感測器（Camera）可補捉到物體的影像。

還是看不懂？哈哈，其實筆者自已也是一知半解。還是直接說明這實驗最大的賣點：看東西的紅光並沒有被感測，而成像用的黃光則完全沒有經過物體！這打破了一般認知中「看」的概念。為了強調這點，本實驗中被拍攝的物體，其材質對黃光而言其實是透明的，就像X-ray看不到肌肉一般。故研究團隊認為這項發明有發展成醫療用途的潛力，對瞭解開天眼的靈異現象及量子糾纏的物理現象也很有幫助，研究成果已被發表於知名的期刊《Nature》上。

參考資料

1. Picturing Schrodinger’s cat: Quantum physics enables revolutionary imaging method. Phys.org [28/08/2014]
2. Quantum physics enables revolutionary imaging method. Universitat wien [28/08/2014]
3. Gabriela Barreto Lemos,Victoria Borish,Garrett D. Cole,Sven Ramelow,Radek Lapkiewicz &  Anton Zeilinger, “Quantum imaging with undetected photons”, Nature 512, 409–412,2014.
4. Mach-Zehnder interferometer. Wikipedia [12/09/2014]
5. 量子糾纏態。維基百科 [12/09/2014]

本文轉載自作者部落格吳京的量子咖啡館

量子糾纏的生活比喻：情感的同步

想像一下，你有一位從小就非常要好的朋友，無論他做什麼，你都感同身受。他吃下午茶，你也立刻想來一份；他開心，你也情不自禁地微笑；他難過，你也跟著心情低落。你們之間的情緒達到了百分之百的同步。雖然你們身處不同的地方，但似乎有一條無形的線將你們連接在一起。

這種神奇的連結，正是量子力學中的量子糾纏（Quantum Entanglement）。在微觀的量子世界裡，兩個曾經互相影響的粒子，即使相隔萬里，依然可以保持同步的狀態。一旦其中一個粒子的狀態被測量，另一個粒子的狀態也會立即確定，這種現象挑戰了我們對於時空和因果關係的理解。

角動量守恆與粒子自旋

要理解量子糾纏，我們首先需要了解角動量守恆和粒子的自旋。想像一顆靜止的砲彈，突然爆炸成兩個旋轉的碎片。根據角動量守恆定律，兩個碎片的旋轉方向必須相反，才能使總角動量保持為零。

在量子力學中，粒子的自旋類似於這種旋轉，但並非真正的物體旋轉，而是粒子固有的一種量子性質。一個自旋為零的粒子衰變成兩個帶有自旋的粒子時，兩者的自旋方向必須相反，以維持角動量的守恆。

然而，與宏觀世界不同的是，量子粒子的自旋狀態在被測量之前，處於一種「疊加態」，也就是說，它們同時具有多種可能的狀態，直到測量發生，狀態才被「塌縮」為確定的值。

EPR悖論：量子力學的挑戰

1935 年，愛因斯坦、波多爾斯基和羅森提出了著名的 EPR 悖論。他們認為，量子力學對於自然的描述並不完備，因為它無法預測單個粒子的確切狀態。他們設想，如果兩個粒子處於糾纏狀態，測量其中一個粒子的自旋方向，另一個粒子的自旋方向就立即確定，無論兩者距離多遠。

這似乎暗示著訊息以超光速傳遞，違反了相對論。然而，他們認為，應該存在一些「隱變量」來決定粒子的狀態，而不是量子力學的機率性描述。

貝爾不等式與實驗驗證

為了檢驗 EPR 悖論，物理學家貝爾在 1964 年提出了貝爾不等式。該不等式提供了一種方法，可以通過實驗來區分量子力學的預測和隱變量理論。

1972 年，約翰·克勞澤和他的同事首次進行了實驗驗證，結果支持量子力學的預測，違背了貝爾不等式。這意味著，量子糾纏的現象是真實存在的，粒子之間的連結不需要透過任何已知的訊息傳遞。

之後，阿蘭·阿斯佩等科學家進一步完善了實驗，消除了可能的漏洞，堅定了量子力學的立場。2022 年，克勞澤、阿斯佩和安東·塞林格因在量子糾纏領域的貢獻，共同獲得諾貝爾物理學獎。

「鬼魅般的超距作用」的理解

量子糾纏挑戰了傳統物理學對於因果和現實的理解。愛因斯坦稱之為「鬼魅般的超距作用」，因為它似乎違反了光速的限制。然而，現代物理學家認為，量子糾纏並不傳遞任何可用於通信的訊息，因此不違反相對論。

糾纏粒子之間的連結被視為量子系統的整體性質，而非個別粒子的屬性。當我們測量其中一個粒子時，整個系統的波函數發生了變化，導致另一個粒子的狀態也被確定。

量子糾纏的應用與未來

量子糾纏不僅僅是理論上的奇觀，它在實際應用中也展現了巨大的潛力。安東·塞林格成功地利用量子糾纏實現了量子隱形傳態，將一個粒子的量子態傳輸到遠方的另一個粒子上。

此外，量子糾纏在量子計算和量子通信中扮演關鍵角色。量子計算機利用糾纏態進行超高速的計算，而量子通信則提供了無法被破解的加密方式，保障訊息的安全。

結語：量子世界的奇妙之旅

量子糾纏揭示了自然界深層次的連結，挑戰了我們對於現實的直覺認知。儘管我們無法在宏觀世界中直接感受到這種現象，但它真實地存在於微觀的量子世界中，影響著未來科技的發展。