打開薛丁格的盒子
展開量子革命
以量子物理為基礎的電腦,將會改變世界嗎?
撰文/貝克(Adam Becker)
翻譯/張明哲
在美國舊金山灣東南沿岸附近某個辦公園區,一棟低矮建築物內,一組白色罐狀容器沐浴在藍光下。這些罐子裝著蝕刻了超導電路的晶片,並且全部都裝在一組像吊燈那樣的金色結構上,再透過液態氦與液態氮冷卻。這些超導晶片是在隔壁無塵室中製造的,身穿白色防護服的人員,操作房間大的機器、通風櫃以及酸洗槽。這座設施,包含晶片、冷凍槽、無塵室,以及大樓後方龐大的液態氮儲存設備,全都是為了一個夢想:量子電腦(quantum computer)。
這裡是美國加州量子計算公司 Rigetti Computing 的主要製造廠;每一個冷凍槽中都裝置一枚 Rigetti 最先進的量子處理單元。量子電腦專家期待未來某一天,量子電腦在執行特定計算時,能比我們身邊所有傳統電腦快上幾個數量級。Rigetti 的執行長庫卡尼(Subodh Kulkarni)對我說:「現在談論的量子計算(quantum computing),是指在非常非常小的能量消耗下,實現百萬倍甚至十億倍的計算速度。這正是量子計算的迷人之處。我們有潛力解決當今無法解決的難題。」
期待量子計算能獲取可觀效益的機構組織,現在有十多家,Rigetti 只是其中之一。在過去 20 年,像 Rigetti 這樣的新創公司,以及 IBM 和 Google 等科技巨頭,都在量子計算領域投入鉅資。光是 2023 年,就投入 12 億美元(約 375 億台幣)。量子計算是全球各大學和政府研究單位的重點研究項目。大家都在追逐這個夢想,只不過夢想的細節會因人而異。投顧公司和其他矽谷投資客拍胸脯保證量子計算會加速人工智慧,反之亦然,但量子計算專家對這些說法並不買帳。庫卡尼和其他人則認為,量子電腦將澈底革新藥物開發、天氣預報和金融產業。各國政府也寄望量子電腦可以破解迄今無法破解的密碼⋯⋯
作者簡介:
《科學人》獲頒48屆金鼎獎學習類雜誌。睽違八年再度獲獎,是2002年創刊以來第12座金鼎獎。
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各界推薦
特別收錄 / 編輯的話:
探索南極大冒險——不是地球,是月球!
凹凸不平的月面保留了 40 多億年來的演化風貌,是研究太陽系形成的最佳實驗室,也是人類未來離開地球的第一個休息站。不久的將來,前往月球觀光的旅客將絡繹於途,大國之間競相建立月球基地也會是往後 30 年的日常,以後中秋賞月想來另是一番情懷。
文/孫維新
1998 年 6 月 23 日,澳洲 64 米直徑的帕克斯電波天文台(Parkes Radio Observatory)在七分鐘之內,在同一方向偵測到了 6 個強烈的脈衝電波訊號,頻率在常見的電波天文觀測波段,但科學家無法辨認訊號來源。而在接下來的 17 年中,帕克斯天文台總共接收到了 25 個這種神秘且頻率穩定的訊號,每個訊號的時間都很短,大約只有 0.25 秒。科學界對這個稀有而奇特的現象產生了莫大興趣,許多科學論文針對這個現象提出解釋,包含磁星爆炸、黑洞蒸發,以及外星人正在彼此通訊等。
一直到 2015 年 4 月,一位澳洲年輕的女研究生佩特羅夫(Emily Petroff)仔細研究了這些訊號的共同點:它們都是在週一到週五的上班時間出現,且多半集中在中午,就大膽猜想這個神秘訊號的來源可能和天文台茶水間裡的微波爐有關!天文台的工作人員到了中午,來到茶水間使用微波爐,有些人習慣不好,微波時間沒有結束就直接打開門,此時微波爐會立即停止,但停止前還是會有一些微波輻射外洩,如果此時 64 米的大天線剛好位於一個特定角度,就會接收到這個洩漏出來的微波訊號。
佩特羅夫提出了這個假設後就做了一個實驗,她先將大天線轉到特定的角度,然後在茶水間的微波爐內放入一杯水,關上門啟動,在運作中拉開門,此時微波爐瞬間停止,同時觀測中心傳來叫聲:「看到訊號了!」這就尷尬了,過去發表的這麼多激動人心的科學論文,不知道該如何處理?
也就是因為人造的電波訊號如此強烈,會干擾我們辨認來自宇宙的微弱訊息,所以當我們的「科普學遊」來到新墨西哥州的聖奧古斯丁平原上參訪「特大天線陣」(Very Large Array, VLA)時,會看到這 27 個直徑 25 米的大型天線所在的廣大平原,周邊有著一圈連綿起伏的山脈,天文學家希望藉著這些山脈,屏蔽來自周遭的地球電波污染。不只如此,當學員們進到 VLA 訪客中心,解說志工在開始講解之前,都會要求每位學員將手機調到「飛航模式」,以免影響科學觀測。
無論天文學家如何努力,仍然無法澈底隔絕來自地面和衛星的人為污染,畢竟我們的日常生活就是被各種頻率的無線電波層層包裹著。所以天文學家最想去建立天文台的地方,是月球的背面!月球一直用同一面面對地球,所以站在月球背面看不到地球,也因此地球的光害和電波污染到不了月球背面。不單如此,月球上沒有大氣,也沒有電離層,是太陽系中最優良的多波段天文台址!
月球一個月繞地球公轉一圈,也剛好以同樣的角速度自轉一圈,所以在月表上任何一點,一個白天有 14 個地球日那麼長,一個黑夜也是如此。也就因為晝夜如此極端,所以月表的穩定能量來源,不會是太陽能,而會是核能。本期就有一篇文章〈月球上的核電廠〉,報導美中雙方在月球設立核電廠的競賽。
近年來各個太空大國都把登月目標放在「月球南極」上,讓這個地方幾乎成了兵家必爭的戰略要地。原因無他,就是因為南極有些隕石坑深處不見天日,稱做「永夜坑」,坑底可能長年有水冰存在。同時月球南極也能常常看到太陽,即使太陽的角度很低,接近地平線,但也比 14 天的完全黑夜要好。
今年 5 月下旬,我們邀請了美國航太總署艾姆斯研究中心(Ames Research Center, NASA/ARC)的主任杜龍蓀博士(Eugene Tu)來訪,出席「2026 太空年」的活動,也巡迴學校和博物館演講。在他的演講中,我覺得最有意思的是他的中心負責設計製作的「月球極區揮發性物質探測車」(Volatiles Investigating Polar Exploration Rover),簡稱 VIPER,也就是「毒蛇」之意。此處「揮發性物質」指的就是「水冰」,為了湊一個響亮的名字,把任務全名搞得特別複雜。
2024 年暑假,當「科普學遊」的學員參訪艾姆斯研究中心時,在中心餐廳裡看到一群科學家和工程師強顏歡笑。一問之下,才知道這些人都是 VIPER 任務的要角,但剛得知消息,因為 NASA 找不到發射經費,這個任務被取消了!大家苦中作樂,來餐廳紀念任務結束。
沒想到今年 5 月杜博士來訪時,帶來了好消息:VIPER 又復活了!民間企業「藍色起源」同意使用剛研發成功的「新葛倫火箭」(New Glenn rocket),將 VIPER 送往月球,然而因為製作太空船的經費有限,VIPER 的設計就充滿創意,它使用太陽能,但不像其他探測車的太陽能板是平放著,而是豎起來貼在車子旁邊,就是因為極區的太陽角度很低,太陽能板豎起來才能接受陽光直射。
雖然月球南極陽光長照,但因為地形崎嶇,山谷和隕石坑錯落分佈,使得太陽的陰影變化萬千。科學家於是將南極地形圖輸入電腦,由 AI 來決定 VIPER 的最佳行駛路線,讓小車子能一直跑在陰影前面,不要讓陰影追上,否則沒了陽光也就沒了電;需要進入隕石坑時,也要先算好電量能維持多久,要趕在沒電之前爬出隕石坑重見天日,名副其實的「守著陽光守著你」!
月球是我們了解早期太陽系最好的實驗室,也是人類踏出地球的第一個休息站。往後 30 年月球上將熱鬧非凡,只不知屆時是群英歡聚,還是華山論劍?
特別收錄 / 編輯的話:探索南極大冒險——不是地球,是月球!
凹凸不平的月面保留了 40 多億年來的演化風貌,是研究太陽系形成的最佳實驗室,也是人類未來離開地球的第一個休息站。不久的將來,前往月球觀光的旅客將絡繹於途,大國之間競相建立月球基地也會是往後 30 年的日常,以後中秋賞月想來另是一番情懷。
文/孫維新
1998 年 6 月 23 日,澳洲 64 米直徑的帕克斯電波天文台(Parkes Radio Observatory)在七分鐘之內,在同一方向偵測到了 6 個強烈的脈衝電波訊號,頻率在常見的電波天文觀測波段,但科學家無法辨認訊號來源。而...
目錄
【關於封面】
要推動量子電腦的進展,就宛如打開那個關著薛丁格貓的神秘盒子。調控著牠既活又死的比例,便可發揮量子電腦同時探索無窮多種可能的威力,但這也伴隨著巨大的技術挑戰。科學家正在摸索量子物理的法則,克服極其嚴苛的物理限制。實用的量子電腦將逐步走入我們的生活,開啟全新的量子計算時代。
封面設計:李婉琪
6 總編輯的話 探索南極大冒險――不是地球,是月球! 文/孫維新
8 科學人觀點 文/曾志朗
12 科學人新聞 城市養出最強入侵種|抱著機器人,讓你心跳加速?|瀑布上的垂直大遷徙|高智商者的憂鬱量表失準?|500 年一次黑猩猩內戰|自行修復的安全帽|音樂讓你的眼睛也舞動
23 機器思維 印度人工智慧之父:雷迪 文/林一平
28 科學棋談 加速阿波羅 8 號的詐術 文/張瑞棋
29 AI先行 讓 70 歲的盲人,每天醒來仍有新夢想 文/李慕約
30 特別報導 唐獎,為人類找尋生存解藥 文/徐湘芸
36 物理學 打開薛丁格的盒子,展開量子革命 文/貝克(Adam Becker)
48 物理學 量子計算的終極夢想 文/梅拉里(Zeeya Merali)
58 物理學 撥開量子迷霧――量子科技與它的「萊特兄弟時刻」 文/施奇廷
64 生態學 不蚌了?淡水蚌全員消失中 文/昆齊格(Robert Kunzig)
78 重返月球 闊別半世紀的登月競賽 文/德瑞克(Nadia Drake)
84 重返月球 太陽系的時空膠囊:月球 文/安德魯斯(Robin George Andrews)
88 重返月球 地球太亮了,去月球看宇宙 文/郝立特(Joseph Howlett)
94 重返月球 月球上的核電廠 文/安德魯斯(Robin George Andrews)
104 健康與科學 減重新藥,減脂不減肌 文/尤姆沙奇安(Lori Youmshajekian)
106 教養好科學 從決裂到和解,如何修復親子關係 文/科爾曼(Joshua Coleman)
110 攸關心智 你會怕癢?這可能與神經系統有關 文/基爾特尼(Konstantina Kilteni)
112 圖表會說話 量子電腦爭霸戰 文/莫斯柯維茨(Clara Moskowitz) 繪圖/吉利蘭(Ben Gilliland)、霍布斯(Amanda Hobbs)
114 不懂就問科學人 你其實每天都吞下兩公升鼻涕! 講者/張智銘
116 知識搖籃 超越 0 與 1 的運算革命 文/黃貞祥
118 科學人選書 量子沒有極限:啟動運算新紀元 整理/葉洹君
【關於封面】
要推動量子電腦的進展,就宛如打開那個關著薛丁格貓的神秘盒子。調控著牠既活又死的比例,便可發揮量子電腦同時探索無窮多種可能的威力,但這也伴隨著巨大的技術挑戰。科學家正在摸索量子物理的法則,克服極其嚴苛的物理限制。實用的量子電腦將逐步走入我們的生活,開啟全新的量子計算時代。
封面設計:李婉琪
6 總編輯的話 探索南極大冒險――不是地球,是月球! 文/孫維新
8 科學人觀點 文/曾志朗
12 科學人新聞 城市養出最強入侵種|抱著機器人,讓你心跳加速?|瀑布上的垂直大遷徙|高智商者的憂鬱...
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