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科學人(第237期/2021年11月號)

SCIENTIFIC AMERICAN

出版日:2026/05/26

定價:280元

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內容簡介

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.......

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目錄

【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

產品規格

書號:SM237

ISBN:

規格:平裝 / 0頁 / 28 × 20.8 × 0.5 cm / 250公克

類別:N/A

出版社:遠流出版

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