科學人 11月號/2021 第237期

量子世代 產業佈局

台灣擁有高科技、半導體領域的優良技術與人才，若能從量子位元的設計、超大型量子電腦的周邊設備著手，便可搶得先機，在量子電腦產業位居要角。


撰文／陳啟東、王志洋

最近，IBM與 Google都做出數十個量子位元（qubit）的量子電腦，IBM甚至開放雲端操作給使用者，許多企業乃至國家研究單位也投注大量資金與人才。國際爭相投入量子電腦，並不是因為量子電腦即將完全取代古典電腦，而是已經了解傳統電腦有其極限，例如 28頁〈量子電腦加速未來化學〉提及，算出分子中的氫鍵結等獨特的化學交互作用，是傳統電腦難以企及的任務。這就是需要投入量子電腦開發的關鍵。

量子電腦要真正發揮優勢，發展錯誤修正機制與容錯量子計算架構都勢在必行，屆時量子電腦的量子位元將超過上百萬個。台灣除了培養自己的人才以奠定技術基礎，可以利用現有在半導體方面的優勢，發展代工量子電腦高階零組件及設計製作周邊關鍵設備的能力，因應超大型量子電腦的趨勢，提升核心零組件與關鍵設備的量能。除此之外，也包含封裝並堆疊兩個以上量子位元的工法，並要為硬體量身打造適合的軟體程式。

目前量子電腦周邊設備的供應鏈尚不明朗，幾年後可能出現歸一化的設備規範，台灣應嘗試從打造量子位元晶片開始切入，並加強國際合作。目前我們的研究量能投入製造量子電腦晶片以及與半導體相關的周邊元件，但同時也需要培養軟體人才，並且發展量子電腦的糾錯、程式語言等功能，以求更全面掌握量子電腦的整體技術。在探討量子電腦與台灣主力科技產業的關係之前，我們從量子電腦的製作與設計上的實際考量談起。

量子計算怎麼算？

量子電腦的重點技術在於量子位元的設計，而量子位元的特色是「量子平行性」，這根源於量子位元本質上的非古典特性，也就是量子疊加與量子糾纏（quantum entanglement，亦稱量子纏結）。

量子位元可以想成是一個人造原子，如果僅考慮它的最低能階，也就是基態 |g〉與第一激發態 |e〉，或者標註為 |0〉與 |1〉，分別對應傳統位元的 0與 1。量子疊加代表量子位元既不是 |0〉也不是 |1〉，而是處於 |0〉與 |1〉的疊加態：α|0〉+β|1〉。這個疊加態可用布洛赫球（Bloch sphere，見下圖）中的一個向量來表示，布洛赫球可以清楚表現出一個量子位元的各種量子態。如果以地球來做比擬，在南北極就是兩個基底，而在赤道的東西南北向就是四個常用的疊加態....... 

普朗克沒想到的

文／插畫：林一平

異於傳統電腦，量子電腦使用量子系統，遵循量子力學定律，利用概率、疊加和纏結等概念運算，因而可極快速處理極大量的資訊。追溯源頭，我們要感謝量子力學的開創者，包括我喜歡的尼克叔叔（波耳）、愛因斯坦、海森堡等人。不久前我畫了普朗克的肖像，這一次，我們就來談這位量子力學的創始人。
普朗克是德國柏林大學教授，人品極佳，到處受歡迎。 1907年奧地利維也納大學曾邀請普朗克前去接替波茲曼的講座，但他沒有接受，而是留在柏林。柏林大學學生會以火炬遊行感謝他留任。普朗克反對納粹政府， 1945年他的兒子參與暗殺希特勒未遂，被納粹殺害。普朗克白髮人送黑髮人，相當感傷。
普朗克曾說：「All matter originates and exists only by virtue of a force.... We must assume behind this force the existence of a conscious and intelligent Mind. This Mind is the matrix of all matter.」引申他的話，由量子力學到量子運算，當中有極富智慧的連結等待我們挖掘。由量子運算再向外連結，本期《科學人》雜誌的封面故事之一〈量子電腦加速未來化學〉，敘述了量子電腦如何提升模擬分子作用的精準度，提供化學家新的研究工具。
本期還有多篇有趣的文章。我的女兒曾解剖死亡的美洲獅，我問她，有何特別之處。她說，就像是大號的貓咪。的確，美洲獅像大貓般的萌樣照片頗能引起喵星人的喜愛，而講述如何以〈天橋保育美洲獅〉則更能引起共鳴。喵星人務必要讀讀〈動物為何玩耍？〉，了解動物如何透過與同伴嬉戲打鬧，提升認知能力、學習生存技能，甚至還能改善群體間的緊張關係。
火箭技術，可用於戰爭，也可促進和平。最近亞洲多國競相試射飛彈，卻有物理學家直指〈極音速飛彈吹捧上天〉，也希望高科技不要用於戰爭。火箭技術的正面應用則是星際探索。幾十年來，金星被認為是非常不適合生物生存的行星，然而各項指標顯示，金星過去比火星更像是地球的雙胞胎。於是美國與歐洲分別啟動三項太空任務以研究這顆行星的大氣與地表，〈重返金星，破解暖化疑雲〉將解答環境劇變的可能緣由。
普朗克一定沒想到：量子電腦的強大運算力可以幫助科學研究、模擬氣候變遷，深受戰亂之痛的他必定不會希望量子電腦被用於戰爭。我倒是好奇，貓咪難以捉摸的行為乃至於人類亦善亦惡的心智，量子電腦會怎麼運算？

【關於封面】
傳統電腦無法準確預測簡單分子的行為，儘管只是幾個電子的量子效應。量子電腦可利用量子現象，描述電子之間的交互作用，輔助傳統電腦計算在化學反應中最獨特的環節，達到更高的精準度，量子電腦將成為未來化學發現的強大催化劑。

化學  
28 量子電腦加速未來化學
文／賈西亞（Jeannette M. Garcia）
把量子電腦應用在化學研究，使模擬分子作用的精準度更上層樓，化學家不再憑運氣取得重大突破。

物理學  
32量子世代產學佈局
文／王志洋、陳啟東
台灣擁有高科技、半導體領域的優良技術與人才，若能從量子位元的設計、超大型量子電腦的周邊設備著手，便可以搶得先機，在量子電腦產業位居要角。

動物行為  
38動物為何玩耍？
文／歐康奈爾（Caitlin O'Connell）
嬉戲能訓練體能及認知能力，有助動物發展生存及繁衍所需的技能。

關於封面
傳統電腦無法準確預測簡單分子的行為，儘管只是幾個電子的量子效應。量子電腦可利用量子現象，描述電子之間的交互作用，輔助傳統電腦計算在化學反應中最獨特的環節，達到更高的精準度，量子電腦將成為未來化學發現的強大催化劑。

行星科學  
46重返金星，破解暖化疑雲
文／安德魯斯（Robin George Andrews）
金星與地球的大小和質量相似，為何演變成高溫乾燥的環境？三項太空任務將研究這顆行星的大氣與地表，解答環境劇變的可能緣由。


保育  
58 天橋保育美洲獅
文／皮特曼（Craig Pittman）
美國聖塔摩尼卡美洲獅有嚴重近親繁殖問題，產生尾巴彎折等遺傳缺陷，加州政府與各方團體將建造全球最大的野生動物天橋，連結不同的美洲獅群體，防止族群滅絕。

國防科技  
66 極音速飛彈吹捧上天
文／萊特（David Wright）、
崔西（Cameron Tracy）
美、中、俄三國宣稱極音速飛彈的速度飛快且機動性高，可閃避任何防禦系統，但就物理學來說，這種武器沒這麼厲害。

氣候變遷  
76甲烷獵人查外洩
文／考區曼（Anna Kuchment）
甲烷是造成全球增溫的主要禍首，美國油田因設施故障等理由使這類溫室氣體外洩。新的監測技術有能力找出洩漏點，但能否迫使石油與天然氣業者及監管機關採取行動？

環境科學  
86 土壤固碳救氣候
文／韓德斯曼（Jo Handelsman）
把碳留存在土壤中，並採用能固碳的農耕方式，將能減緩土壤侵蝕及氣候變遷。

流行病學  
90 這一年，流感消失了 
文、圖表／皮克（Katie Peek）
減緩新冠肺炎疫情而採取的公共衛生措施，可能也擊退了流感。


科學人觀點 文／曾志朗

總編輯的話 
8 普朗克沒想到的 文／林一平 

10 讀者論壇 

12科學人新聞
人群移動的數學法則｜狗屎洩露古人飲食｜生命感測器｜蛙媽護卵，保濕有道｜能即時檢測的口罩｜一覽世界科技進展｜暖化持續，野火不止｜水中辨音找鯨群｜科學剪影｜故事能療癒人心｜海綿形態的新奇力量｜混凝土電池

形上集 
24 知識vs.理解 文／高涌泉

教科書之外 
26多情的柚子 文、圖／陳文盛

專家看新聞 
92美國墮胎權岌岌可危 文／納許（Elizabeth Nash）

科學佐以詩文 
94地表的意外（在庫姆蘭乾河床）文／李文（Michael H. Levin）

健康與科學 
96降低老年人跌倒的風險 文／華立斯（Claudia Wallis）

科學焦點 
98 科學家，說話請淺白些 文／歐瑞斯克斯（Naomi Oreskes）

預見新科學 
100細胞素研究看見醫療希望 文／林慧珍

科學人書摘
102是什麼驅動相對論的發現？ 文／摘自《反叛的科學家》

圖表會說話 
106行星磁場大不同 文／莫斯柯維茨（Clara Moskowitz）、圖表／貝蘭（Mark Belan）

本期專欄「網上世代」、「談心說理」，單元「生物手記」暫停一次

《科學人》雜誌－全球科普雜誌第一品牌

自2002年創刊以來共11年榮獲出版界最高榮譽雜誌出版金鼎獎！身為全球科普雜誌的第一品牌，《科學人》一直領先報導全球最先進的科學脈動與產業趨勢，除生命演化及天文奧秘的探索外，也包括成就未來經濟創新的各種工具：「NBIC，Nano-Bio-Info-Cogno（奈米科技、生物科技、資訊科技與神經科技）」，及其聚合衍生的「長壽醫學」、「未來能源」、「淨化科技」、「即時通訊」、「人工智慧」及「前進太空」等產業趨勢內容。除了原Scientific American文章精確編譯外，台灣延伸企劃採訪篇章更佔40%以上，藉由淺顯易懂的編輯呈現方式，帶給產業精英、知識家庭、高中及大專院校師生最具未來性的知識力。

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問，時間為何物？（2016/9/20全新出版） 台灣大學物理系教授 高涌泉 專文導讀

窺探大腦（2016/10/20修訂版）  中央研究院院士 曾志朗 專文導讀

發現天文之美（2016/11/20修訂版） 國立自然科學博物館館長 孫維新 專文導讀

掌握數位生活（2016/12/20全新出版） 台灣大學資工系教授 林守德專文導讀 活靈活現動物行為（2017/1/20全新出版）金鼎獎科普作家 張東君 專文導讀