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2024-01-01讓厝邊頭尾對量子力學琅琅上口 量子熊計畫主持人林秀豪專訪
649 期
Author 作者
採訪撰稿|羅億庭/本刊編輯
Take Home Message
• 物質波的波粒二象性是量子力學的核心概念,而波函數則可以用來描述一個粒子在空間中的機率分布。
• 為了讓社會大眾了解量子科技,並培養對於量子科技有興趣的人才,量子熊計畫集結了臺灣多所大學的物理學家,希望能推廣量子科學。
• 量子熊的內容包含 podcast、YouTube、文章等,透過多元化的形式吸引不同族群的觀眾,使量子科學普及化。
由一群物理學家組成的量子科學推廣團隊,能碰撞出什麼火花?
走鐘獎,是臺灣YouTuber和新媒體創作者的年度盛會。在去(2023)年的第五屆走鐘獎中,一部講述多重宇宙、量子力學、聽起來既艱深又複雜的科學影片入圍了金頭腦獎。而這支影片的幕後操盤手,就是「量子熊」(QuBear)。
量子熊logo(林秀豪提供)
為了因應量子科技的興起,臺灣政府在2022年3月投入80億元,打造了「量子國家隊」,並將任務聚焦在通用量子電腦硬體、量子運算軟體、光量子電腦與通訊上。但也由於量子科技要實際走入應用還有一段距離,因此培育人才、激發年輕學子對於量子科學與科技的興趣,以避免未來相關領域人才短缺,也就變得相當重要。量子熊便是肩負推廣量子科學的使命而誕生,透過podcast、YouTube、文章等多元管道傳播知識,吸引各年齡層的視聽大眾品味量子的迷人風采。在這次的物質波100週年專輯中,我們特別訪問了量子熊計畫的總主持人⸺清華大學物理學系特聘教授林秀豪,聊一聊量子熊團隊創立至今的心路歷程。
林秀豪
清華大學物理學系特聘教授
量子熊計畫總主持人
物質波與量子力學
不過物質波與量子力學究竟有什麼關係?其實說到量子力學,就不能不先提到物質波。它是量子力學中的基本概念,說明所有物質都具有波粒二象性。「物質波是什麼東西在動,最後才產生了波?」林秀豪問道,我們在日常生活中熟悉的波都是由物體震動而產生,例如水波、聲波等。然而,物質波卻與一般的波不同⸺它並不是由某個物體震動之後產生的效果,而是由物質本身的波動性產生。
物質波的波粒二象性是量子力學的核心概念,它顛覆了我們在古典物理學中對於物質的傳統想像。在古典物理學的理論中,我們可以確切地知道一個物體的運動軌跡,例如它在某個時刻的位置、速度等資訊;到了量子力學,卻沒有辦法知道粒子在空間中的正確位置,或是它在下一秒可能會出現在哪裡。在量子力學的世界中,粒子在空間中的位置和動量皆不確定,只能用物質波的波函數描述它們在空間內的位置、動量的機率分布。
量子力學的這項特點可以廣泛應用於化學、半導體等領域。像是在化學的軌域研究中,電子出現在原子、分子外的機率分布,就可以利用波函數推導而得出;半導體研究中,物質波則被用來理解其中的能帶結構(electronic band structure)〔註〕,可以根據波函數確定電子在半導體內的能量。「量子力學等於是目前我們所知的科學中,最重要的基礎。」即便我們在生命體內看不到直接的量子現象,但許多機制仍由量子力學掌控。林秀豪進一步舉例說明,物質波在碰到障礙物時,不像古典力學一樣直接反彈,而是可能會有90%的機率反彈、10%的機率穿透障礙物。若將這個特性應用於手機電晶體的設計,就有可能製造出的導電性更高、速度更快的電晶體。不過如果要將此特性套用在生物上,例如一隻貓要試著穿透牆壁,那麼牠穿過去的機率就變得極小⸺雖然不是零,但是基本上我們觀察不到這種事件。
〔註〕在半導體中,電子可以存在的能量區域。
量子熊的緣起和目標
自1980年代起,臺灣的半導體產業開始蓬勃發展並且持續、快速地成長,至今在世界上仍占有著一席之地。完整的半導體產業聚落更是掐住了許多國家的咽喉,因此也有不少國家試著拆解臺灣半導體產業成功的原因。不過此優勢可能會隨著時間逐漸削弱,「不是說半導體產業不見了,而是你沒有辦法再藉由一些特有的技術,讓其他人覺得『沒有臺灣的話整個半導體產業都無法運作』。」面對這樣的狀況,臺灣政府就必須思考下一個能夠在國際間具有影響力的科技是什麼?量子電腦是其中一個相當具有潛力的領域,但也因量子電腦距離真正的商業應用還需要一段時間,使得中、長期的人才培育變得相當重要。……【更多內容請閱讀科學月刊第649期】
量子熊團隊討論節目內容。(林秀豪提供)