德最新量子研究:僅 6 顆粒子即能產生集體行為,被視為整體系統

將多個例子視為整體的行為,例如一桶水或一罐氣體,最少需要多少顆粒子呢?根據新研究,這個數字非常低:只要 6 顆原子,即可轉變為一巨觀系統。
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本篇來自明日科學,INSIDE 經授權轉載。

在各別原子開始集體行為之前,到底需要多少顆粒子?根據一項新研究,這個數字非常地低。只要低達 6 顆原子就能夠在適當的情況下開始轉變為一個巨觀系統。藉由使用特別設計的極冷雷射阱(laser trap),物理學家觀察了從正常轉變成超流體相(superfluid phase)的量子前驅物,提供了方法來研究集體原子行為出現的時機及巨觀系統的極限。

巨觀下的物質

多體物理(many-body physics)是試著描述並了解多個粒子的集體行為的領域,比方說一桶水或一罐氣體。人們可以藉由物質的密度或溫度來描述它們,而這些特性是物質作為一個整體而表現出來的。

這些物質被稱作巨觀或多體系統,而我們無法僅藉由研究各別原子或分子的行為來了解它們。反之,它們的行為來自粒子間的互動,而當各別地看這些粒子時,這些粒子不具有作為整體系統而論的相同性質。

無法以微觀角度來描述的巨觀行為的一些例子包括集體激發(collective excitations),例如在晶格中振盪原子的聲子(phonon)。相轉變是另一個例子,也就是當一個物質從一個相轉變成另一個相,例如當冰融化成液體、或液體蒸發為氣體。

物理學家長期以來都在尋求了解這些集體行為是如何從各別粒子逐漸靠在一起而出現,也就是巨觀現象是如何從微觀現象出現。所以一組來自海德堡大學(University of Heidelberg)的研究團隊就設計了一個實驗來試著找出解答。

實驗設計

這個實驗包括了一個用來「捕捉」鋰的穩定同位素(鋰 6)的極冷原子的緊密聚焦的雷射光束。當在氣體中冷卻至絕對零度以上的幾分之一度時,這個費米子的同位素表現如同超流體,也就是零黏度的液體。

在雷射阱當中,很小數量的鋰原子可被容納,而有效地成為量子行為的模擬器。在這個系統當中,該研究團隊能夠使用費什巴赫共振(Feshbach resonances)來調整原子之間的互動。當兩個互動原子的能量以分子束縛態(bound state)進入共振,費什巴赫共振就會發生,而該些共振能夠被使用來改變粒子間的互動強度。

在每一個實驗中,研究團隊將 2 個、6 個、或 12 個鋰 6 原子引入了雷射阱中,讓研究人員能夠觀察原子何時開始以集體地方式表現。主要研究員盧卡·拜哈博士(Luca Bayha)解釋到:「一方面,此系統中的粒子數量少到足夠以微觀的方式描述這個系統;另一方面,集體的效果已經很明顯。」

在原子位於雷射阱的狀態下,研究人員調整了阱,從零互動到很強的吸引力,讓原子以束縛對的狀態結合在一起。這是形成費米式超流體的必須條件,即費米粒子必須以表現像玻色子(boson)的庫柏對(Cooper pairs)方式結合在一起,其中玻色子是一種在比起費米子更高的溫度下形成超流體相的較重粒子。

結果與未來發展

在每一個實驗中,團隊根據粒子的數量以及它們之間的互動強度來研究集體行為何時出現。而研究人員發現粒子的激發不僅只與它們之間的吸引力強度有關,也跟庫柏對從量子相的少數體(few-body)前驅物轉變成超流體相有關。

物理學家馬文·荷頓博士(Marvin Holten)說:「我們實驗令人驚訝的結果是,僅要 6 個原子就能顯示我們預期在多體系統中觀察到的所有相轉變的特徵。」

研究團隊表示,研究人員所獲得的控制程度將會對未來其他研究有用,例如研究量子系統中的熱化(thermalisation)過程。此外,他們還將能夠在基本水平上進行費米式超流體的探測,並研究更大系統中庫柏對的出現。

參考資料:

  1. Starr, M., (2020, December 18). Quantum Experiment Reveals Particles Can Form Collectives Out of Almost Nothing. ScienceAlert
  2. Bayha, L. et al., (2020, November 25). Observing the emergence of a quantum phase transition shell by shell. Nature. doi.org/10.1038/s41586-020-2936-y
  3. 圖片來源:https://www.sciencealert.com/quantum-simulator-reveals-that-phase-transition-can-begin-with-just-six-atoms(圖:Jonas Ahlstedt/Lund University Bioimaging Centre)

責任編輯:MindyLi
核稿編輯:Anny

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圖解智慧國家四大關鍵科技,從不同角度帶你了解台灣的科技應用實力

大家都知道台灣有座半導體護國神山,也聽過許多媒體對台灣科技實力的盛讚,但台灣的科技實力到底強不強?我們從四個面向帶你看台灣作為「智慧國家」到底有什麼實力!
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大家都知道台灣有座半導體護國神山,也聽過許多媒體對台灣科技實力的盛讚,但台灣的科技實力到底強不強?自己說不如讓國際單位做的調查更客觀顯示。瑞士洛桑管理學院(IMD)每年9月公布的世界數位競爭力(World Digital Competitiveness Ranking)評比,最近一次報告2021年台灣在全球64個主要國家及經濟體當中排名第8,獲得歷年來最佳名次。

而且值得關注的是,支持數位競爭力的核心要素之一,也就是「科技」競爭力。IMD評比報告揭露台灣拿下全球第2的佳績,從2018年的第11名年排名持續上升,顯見台灣無愧於科技強國之名。


科技小百科:
瑞士洛桑管理學院(IMD)是一個長期研究國家與企業競爭力,在國際上具盛名及公信力的評比機構,並自1989年起發布「世界競爭力年報」World Competitiveness Yearbook,其評比報告與調查結果更是各國政府擬定相關政策之參考。IMD每年會定期公布兩份競爭力評比報告,其一是「世界競爭力年報」,每年在6月公布,2022年台灣在63個受評比國家中排名全球第7名。另一份報告為「世界數位競爭力評比」World Digital Competitiveness Ranking,每年在9月底公布,本篇文章引用的資料為這份兩份研究。


也因為科技與國家發展息息相關,有哪些技術是台灣不為人知的優勢?或是未來產業可大力投資布局的領域?我們找出其中四大項與智慧國家最有關的科技,展現台灣具備強勁的科技能量,或許你已經受惠,也或許你能從其中找到發展的機會。

關鍵科技一、融合海陸空領域的多維通訊

隨著國家管理範圍逐漸擴大,通訊範圍多元且彼此關聯,相關科技如低軌衛星、5G通訊、海底電纜等,形成環環相扣的多維通訊聯網。

仔細洞察2021年的IMD報告,台灣在「行動寬頻的用戶比例」這項指標,拿下全球第1的傲人成績。顯見台灣在通訊基礎建設的投資及普及率,是走在全球領先位置。

尤其5G/6G關聯科技更是未來多維通訊的具舉足輕重的地位,原因是5G衍生的價值鏈相當廣泛,舉凡從晶片、模組、終端、邊緣、系統、到應用服務,可形成完整生態圈。為了強健台灣5G專網的自主技術與供應鏈,從2018年先後成立5G產業發展聯盟、5G垂直應用聯盟、以及5G Open Networking平台,逐漸形成5G國家隊。

除了把5G領先國視為戰略目標,當創新技術落地,更能帶來龐大商機。根據工研院的預估,將5G的小基站、邊緣運算、網路虛擬化等關鍵產品、模組、元件加總起來,2025年的市場規模上看2,510億美元(約新台幣7.5兆元),其他國家還在積極推動5G聯網建設,顯見相關商機仍有相當大發展空間。

關鍵科技二、新型態數位經濟與網路服務

邁向Web 3.0的交叉點,元宇宙被視為下一代網際網路的新機會,市調機構Gartner預測,2026年全世界將有25%的人口,每天至少有一小時投入元宇宙虛擬世界,進行工作、社交、教育、購物、娛樂等活動,並藉由虛擬貨幣、NFT進行數位資產的交易,虛擬經濟逐漸成形。

所謂元宇宙,需要以5G/6G高速網路為基礎,透過VR頭盔/眼鏡作為進入3D虛擬世界的載體,在元宇宙的各種互動體驗則需仰賴AI運算、雲端/邊緣儲存、區塊鏈等核心技術支援。人們在元宇宙內可以滿足從現實世界做不到的事情,形成穿梭虛擬、現實之間的生活體驗與商業模式。

近七成投入元宇宙相關應用的企業,認為元宇宙在未來5年一定會蓬勃發展,虛擬音樂會、虛擬時裝秀、媒體及產品聯名展示活動,將是元宇宙優先發生的商業體驗。

那麼台灣要投入元宇宙有何利基?解析元宇宙供應鏈版圖,主要可分為晶片、光電、通訊、AR/VR裝置、內容以及AI技術,台灣科技可從硬體方面,包含晶片、感測IC、光學零組件、伺服器等擅長領域切入。像是大家熟知的半導體大廠台積電,對於相關晶片的供應就至關重要,另外光電產業也有揚明光、玉晶光、中光電等企業,讓投影技術更精緻,再來連接元宇宙的通訊技術,也有聯亞來支援,而裝置軟硬體、AI技術則是有創意、世芯、智原等企業投入,最後想到AR/VR集大成者,就不能遺漏宏達電在這一塊的耕耘,同樣威盛電、佐臻、未來市(XRSPACE)等品牌也積極佈局,可見台灣已有完整的供應鏈,接下來有志於加入元宇宙的廠家,不妨從自身的專長去思考,相信不論是哪個領域的企業,都能有更多的創新、應用內容投入,完善整個元宇宙生態。

關鍵科技三、疫後時代興起的智慧型代理人 

近年因疫情持續延燒,越來越多領域開始導入「智慧型代理人」,像是零售業者引進半自動化機器,協助人力處理訂單、點餐;又或是醫院使用機器人,藉由AI辨識功能分擔部分醫護工作。

所謂智慧型代理人,以它所知的知識範圍內,自主完成人類所給予的指令任務。智慧型代理人發展至今,能協助人類的廣度、深度越來越多,主要是受惠機器學習的技術更為先進,加上其他的自動規劃、互相協調等演算法的成熟,讓智慧型代理人成為下一波產業發展重點。

世界先進國家紛紛把AI納為國家產業重要發展策略,台灣從2018年就推出「台灣AI行動計畫」,全面啟動產業AI化。發展至今,AI應用已從測試階段逐步應用於各式產業,資策會統計發現,掌握AI技術的新創企業在台灣有300家,逐漸摸索出不同的商業策略與獲利模式。

尤其資通訊、醫療照護是台灣兩大擁有頂尖人才的雙軸產業,在疫情之下,就可以看到醫療+科技所衍生的智慧型代理人應用。像是過去為了解決醫療量能不足,開發「5G智慧防疫機器人」,用來隔離病房消毒、運送餐盒及藥品物資,比傳統人力消毒方式有效節省50%時間,還能降低醫護人員感染風險,讓醫事工作更有效率。

關鍵科技四、資訊安全網保護每個人數位資產

我國面臨網路犯罪、駭客入侵政府、機關,甚至竊取個人資料事件持續增加,如何保護國民安心使用數位科技、保障財產安全將是未來重要方向。隨著AI普及所衍生的龐大資料量之隱私及資安問題,成為棘手的挑戰。從國際AI資安發展現況來看,歐盟在2021年提出人工智慧規則草案(Artificial Intelligence Act),鼓勵值得信賴且道德的AI進行研發與應用。微軟更在今(2022)年禁止提供AI推測情緒技術,並制定「負責任AI標準第二版」、Google則停止AI機器人具有自我意識、能與人類溝通等爭議事件,這些做法也都反映美歐在立法之際,業者也在努力自行節制敏感AI技術。

AI資安,是挑戰也是機會。未來,台灣政府與企業也須密切關注美歐相關草案的立法動態,找出AI規範的共同點,以此界定使用AI產品與服務之要求;因此,AI資安不僅需透過科技來防禦,更需要治理與法規,降低AI所帶來的衝擊。

另外,針對5G資安議題,台灣有展開大型科技防禦策略,包含5G資安防護系統、跨機關資安聯防。5G資安防護系統致力確保業者使用的5G系統具備安全、可靠、信賴,與國內5G專網業者進行服務驗證,以強化國產5G系統的整體資安防護能力。跨機關資安聯防的目標放在建立政府與民間的資安聯防體系,藉由橫向整合跨部會,全面提供威脅情資,減少機關隱匿資安事件,降低事件誤報與漏報。

持續提升台灣的科技能量 打造全方位的智慧國家

圖片資料來源:IMD 2022 世界競爭力年報

台灣的科技能量持續提升,從2022年的IMD世界競爭力年報可發現,而且該報告還指出我國擁有高素質勞動力、經濟活力、企業治理能耐、高教育水準等優勢。上述四項與智慧國家高度關聯的新興科技,涵蓋「數位基盤、數位創新、數位包容」等元素,如何借助科技打造創新、包容的社會,在台灣強勁的科技應用產業鏈上,補強創新的能量,並延續發展優勢項目,將是台灣要持續努力的方向。

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