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內容簡介
革命已然開始！
糧食不足、能源危機、極端氣候、絕症治療……都能藉由量子電腦找到解決方案？
物理學大師加來道雄以最生動易懂的方式，全方位探索量子計算將為人類開創的未來！
微晶片獨步天下的成功或許就要走到盡頭。隨著電晶體不斷縮小，尺寸逼近原子級別，計算能力的驚人增長不免就要萎縮。然而，這場變革也預示了一種革命性嶄新電腦的誕生，醞釀出了直接以原子本身來計算的電腦。
量子計算承諾能帶來前所未有的運算能力，推動科技進步，顛覆我們的日常生活。媒體大多關注於其破解現有加密方法的驚人潛能，但實際上，競賽早已開展，爭相利用這股強大的力量來革新產業格局。汽車製造商、醫學研究人員以及顧問公司，全都押注於量子運算，希望設計出更高效能的交通工具、開發出拯救生命的新藥物，並優化企業運作。然而，這僅只是個開端。
量子計算可以用來解析複雜的化學歷程，創造出生產廉價肥料的必要條件，從而掀起第二次「綠色革命」；打造出超級電池，從而得以開啟「太陽能時代」；甚至設計出核融合反應器，來提供乾淨、安全的可再生能源。量子計算甚至還能破解困難之極的蛋白質折疊問題，深入探究阿茲海默症、肌萎縮性脊髓側索硬化症（ALS）及巴金森氏症等目前尚無治療方法的疾病。事實上，量子電腦已經投入處理來協助解開科學的最大謎題--宇宙的起源。
就人類所面臨的一切問題，沒有任何一項是量子電腦無法解決的。加來道雄博士在《量子紀元》中，以他一貫清晰、熱情的筆觸，講述這場激勵人心的科學前沿探索，以及爭奪人類未來主導權的激烈競賽。
★量子電腦可以解決數位電腦永遠解答不了，就算給予無盡時光也無能為力的問題。
★量子電腦或許能夠回答這樣的問題：健康細胞突然變成癌細胞的起因為何，以及如何制止它們？
★核融合動力就是在地球上運用太陽的能量，而實現核融合的關鍵可能就是量子電腦。
★如果我們真的能理解量子圖靈機，那麼或許我們也就能真正理解宇宙。
一致推薦
PanSci 泛科學
柯忠廷｜中央研究院物理學研究所助研究員
莊程豪｜淡江大學物理學系系主任
糧食不足、能源危機、極端氣候、絕症治療……都能藉由量子電腦找到解決方案？
物理學大師加來道雄以最生動易懂的方式，全方位探索量子計算將為人類開創的未來！
微晶片獨步天下的成功或許就要走到盡頭。隨著電晶體不斷縮小，尺寸逼近原子級別，計算能力的驚人增長不免就要萎縮。然而，這場變革也預示了一種革命性嶄新電腦的誕生，醞釀出了直接以原子本身來計算的電腦。
量子計算承諾能帶來前所未有的運算能力，推動科技進步，顛覆我們的日常生活。媒體大多關注於其破解現有加密方法的驚人潛能，但實際上，競賽早已開展，爭相利用這股強大的力量來革新產業格局。汽車製造商、醫學研究人員以及顧問公司，全都押注於量子運算，希望設計出更高效能的交通工具、開發出拯救生命的新藥物，並優化企業運作。然而，這僅只是個開端。
量子計算可以用來解析複雜的化學歷程，創造出生產廉價肥料的必要條件，從而掀起第二次「綠色革命」；打造出超級電池，從而得以開啟「太陽能時代」；甚至設計出核融合反應器，來提供乾淨、安全的可再生能源。量子計算甚至還能破解困難之極的蛋白質折疊問題，深入探究阿茲海默症、肌萎縮性脊髓側索硬化症（ALS）及巴金森氏症等目前尚無治療方法的疾病。事實上，量子電腦已經投入處理來協助解開科學的最大謎題--宇宙的起源。
就人類所面臨的一切問題，沒有任何一項是量子電腦無法解決的。加來道雄博士在《量子紀元》中，以他一貫清晰、熱情的筆觸，講述這場激勵人心的科學前沿探索，以及爭奪人類未來主導權的激烈競賽。
★量子電腦可以解決數位電腦永遠解答不了，就算給予無盡時光也無能為力的問題。
★量子電腦或許能夠回答這樣的問題：健康細胞突然變成癌細胞的起因為何，以及如何制止它們？
★核融合動力就是在地球上運用太陽的能量，而實現核融合的關鍵可能就是量子電腦。
★如果我們真的能理解量子圖靈機，那麼或許我們也就能真正理解宇宙。
一致推薦
PanSci 泛科學
柯忠廷｜中央研究院物理學研究所助研究員
莊程豪｜淡江大學物理學系系主任
目錄
第一篇： 量子電腦的崛起
第一章 矽時代的終結
第二章 數位時代的終結
第三章 量子崛起
第四章 量子電腦的黎明
第五章 比賽開跑
第二篇：量子電腦和社會
第六章 生命的起源
第七章 綠化世界
第八章 滋養地球
第九章 為世界灌注能量
第三篇：量子醫學
第十章 量子保健
第十一章 基因編輯和治癒癌症
第十二章 人工智慧和量子電腦
第十三章 永生不死
第四篇：模擬世界和宇宙
第十四章 全球暖化
第十五章 瓶子裡的太陽
第十六章 模擬宇宙
第十七章 2050年的某一天
後記 量子拼圖
致謝詞
推薦讀物
注釋
第一章 矽時代的終結
第二章 數位時代的終結
第三章 量子崛起
第四章 量子電腦的黎明
第五章 比賽開跑
第二篇：量子電腦和社會
第六章 生命的起源
第七章 綠化世界
第八章 滋養地球
第九章 為世界灌注能量
第三篇：量子醫學
第十章 量子保健
第十一章 基因編輯和治癒癌症
第十二章 人工智慧和量子電腦
第十三章 永生不死
第四篇：模擬世界和宇宙
第十四章 全球暖化
第十五章 瓶子裡的太陽
第十六章 模擬宇宙
第十七章 2050年的某一天
後記 量子拼圖
致謝詞
推薦讀物
注釋
試閱
第九章 為世界灌注能量
乍看之下，人們可能會猜想20世紀工業巨頭湯瑪斯?愛迪生（Thomas Edison）和亨利?福特（Henry Ford）會是死對頭。畢竟，愛迪生是孜孜不倦推動工業和社會電氣化的驅動力量。擁有1,093項專利的他，以許許多多如今我們視之為理所當然的眾多發明，徹底改變了我們的生活方式，而這些發明都以電力推動。相形之下，福特則是靠以化石燃料為動力的T型車賺進了數百萬美元。他幫助建立了現代以石油為本的工業基礎設施。在他看來，燃燒石油和汽油將會驅動未來。
事實上，愛迪生和福特是好朋友。事實上，年輕時的福特崇拜愛迪生。隨後多年期間，他們還會一起度假，享受彼此的陪伴。他們之所以變得這麼親密，或許是由於他們都憑藉堅強的意志創建了世界級的公司。
愛迪生和福特會藉由打賭來消磨時間，下注賭哪種能源會驅動未來。愛迪生看好電池，而福特則相信汽油。就任何聽到這場賭注的人看來，這是一件毫無懸念的事情。人們肯定會歸結認定愛迪生能輕易獲勝。電池安靜又安全。相形之下，石油很吵鬧、有毒，甚至很危險。每隔幾個街區就設一處加油站的想法根本荒誕不經。
在許多方面，石油的批評者都是正確的。內燃機排放的廢氣會引發呼吸系統疾病並加速全球暖化，而且汽油動力的汽車依然很吵。
然而最終贏得賭注的卻是福特。
為什麼這樣呢？
首先，電池儲存的能量只是每加侖汽油儲存能量的一小部分。（最好的電池每公斤可以儲存約兩百瓦特小時的能量，而汽油則能儲存一萬兩千瓦特小時。）當中東、德克薩斯州和其他地方發現龐大油田時，汽油的價格隨之暴跌，於是汽車也變得連普通美國工人也買得起。
人們開始忘記愛迪生的夢想。效率低落、笨重又動力不足的電池，競爭不過針對渴求能量的民眾而設計的高辛烷值廉價燃料。
由於摩爾定律以廉價的電腦運算能力革新了世界經濟，因此我們往往傾向於假定一切都遵循這條定律。於是當我們見到電池動力效率落後了幾十年，心中不免要感到困惑。我們忘記了摩爾定律只適用於電腦晶片，而類似為電池提供動力的那些化學反應，卻是出了名的難以預測。針對能提增電池效率的新化學反應提出預測是一項重大挑戰。
未來，與其辛勤地測試數百種不同化學物質在電池中的表現，倒不如以量子電腦來模擬它們的性能，這種做法會遠更迅速又廉價。就像有可能幫助披露光合作用或自然固氮作用祕密的模擬做法，或許「虛擬化學」有一天也可能會取代化學實驗室中的艱苦嘗試錯誤。
太陽能革命？
提高電池性能的挑戰蘊含了巨大的經濟影響。早在1950年代，未來學家就宣稱，我們的住家有一天會由陽光供電。遼闊的太陽能電池陣列，輔以強大的風力發電機，將捕捉太陽和風的能量，提供廉價、可靠的能源。免費的能源，那是當時的夢想。
然而，現實卻展現了不同的風貌。過去幾十年間，可再生能源的成本確實下降了，然而速率卻是緩慢得令人心焦。太陽能時代的到來，始終比大家的預期都更緩慢。
部分問題在於現代電池的限制。當太陽不照耀，風也不吹時，可再生能源的電力就會降到零。可再生能源鏈鎖中的薄弱環節是儲存--如何儲存能量以備不時之需。儘管隨著我們系統性地將矽晶片微型化，電腦的速度便呈指數增長，但電池電力的增長，只在我們發現新的效率或甚至新的化合物之時才會發生。目前，電池仍然使用上個世紀已知的化學反應。如果能製造出具有更高效率和功率的超級電池，也就可能大大加速轉型程序，踏向無碳能源未來並遏制全球暖化。
電池的歷史
回顧過去，我們會發現電池的歷史在幾個世紀期間以極其緩慢的龜速進展。在遠古時代，人們早已熟知，如果走過地毯，觸摸門把時就可能受到電擊。但這只是個有趣現象，直到1786年，歷史才被改寫。當時物理學家路易吉?伽伐尼（Luigi Galvani）用一塊金屬摩擦青蛙的斷腿，結果他驚訝地發現，青蛙腿會自行抽動。
這是個關鍵性的發現，因為科學家現在就可以證明，電力可以驅動我們的肌肉運動。科學家瞬間意識到，我們不必訴諸什麼神祕的「生命力」，就能解釋無生命物體如何變得有生命。電力是理解我們的身體如何在沒有靈魂的情況下運動的關鍵。但是，這些在電力方面的突破性研究，也激發了他的一位勇敢的同事。
1799年，亞歷山卓?伏打（Alessandro Volta）製造了第一種電池，並展示了他能創造出一種化學反應來重現這種作用。在實驗室內按需求創造出電力是一項轟動的發現。消息迅速傳開，宣揚現在可以隨心所欲產生出這種奇特的動力。
然而，令人遺憾的是，兩百多年來，電池幾乎都沒有太大改變。最簡單的電池由兩根金屬棒或電極組成，兩個電極分別置放於分開的杯中。在這兩個杯子中，裝有一種稱為電解質的化學物質，這種物質讓化學反應得以發生。兩個杯子由一根管子相連，離子可以沿著管子從一個杯子流向另一個。
由於電解質中的化學反應，電子從一個稱為陽極的電極流出，並轉移到另一個稱為陰極的電極。電荷的運動需要平衡，所以當帶負電的電子從陽極流向陰極時，正電荷的離子也會沿著電解質連接管移動。這些電荷的流動便產生了電力。
這種基本設計幾個世紀以來都沒有改變。改變的主要是種種不同組件的化學成分。化學家不厭其煩地實驗不同的金屬和電解質，好讓電壓最大化或提增其能量含量。
由於普遍認為電動車沒有什麼市場，也就沒有什麼改進這項技術的壓力。
鋰電池革命
在戰後時代，電池技術是個相對被忽視的領域。由於對電動車和便攜式電子設備的需求相對較少，進展停滯不前。然而，對於全球暖化的關注提高和電子市場的爆炸性增長，引燃了電池技術的新研究。
由於汙染和全球暖化的威脅，民眾要求採取行動。隨著對汽車行業轉向電動車的壓力增加，發明家急切地研發更強大的電池。電池逐漸能夠與汽油競爭。
其中一個成功的故事是鋰離子電池的問世，它在市場上掀起一股熱潮。鋰離子電池見於幾乎一切型式的電子設備，包括手機、電腦，甚至大型噴射客機都有。它們之所以如此普及，是由於它們擁有所有可用電池當中最高的能量容量，卻又輕便、緻密、可靠並且效能很高。這是數十年研究的成果，經過艱苦分析了數百種不同的化學物質來了解其電氣特性。
鋰離子電池的便利性來自於鋰原子的特性。
乍看之下，人們可能會猜想20世紀工業巨頭湯瑪斯?愛迪生（Thomas Edison）和亨利?福特（Henry Ford）會是死對頭。畢竟，愛迪生是孜孜不倦推動工業和社會電氣化的驅動力量。擁有1,093項專利的他，以許許多多如今我們視之為理所當然的眾多發明，徹底改變了我們的生活方式，而這些發明都以電力推動。相形之下，福特則是靠以化石燃料為動力的T型車賺進了數百萬美元。他幫助建立了現代以石油為本的工業基礎設施。在他看來，燃燒石油和汽油將會驅動未來。
事實上，愛迪生和福特是好朋友。事實上，年輕時的福特崇拜愛迪生。隨後多年期間，他們還會一起度假，享受彼此的陪伴。他們之所以變得這麼親密，或許是由於他們都憑藉堅強的意志創建了世界級的公司。
愛迪生和福特會藉由打賭來消磨時間，下注賭哪種能源會驅動未來。愛迪生看好電池，而福特則相信汽油。就任何聽到這場賭注的人看來，這是一件毫無懸念的事情。人們肯定會歸結認定愛迪生能輕易獲勝。電池安靜又安全。相形之下，石油很吵鬧、有毒，甚至很危險。每隔幾個街區就設一處加油站的想法根本荒誕不經。
在許多方面，石油的批評者都是正確的。內燃機排放的廢氣會引發呼吸系統疾病並加速全球暖化，而且汽油動力的汽車依然很吵。
然而最終贏得賭注的卻是福特。
為什麼這樣呢？
首先，電池儲存的能量只是每加侖汽油儲存能量的一小部分。（最好的電池每公斤可以儲存約兩百瓦特小時的能量，而汽油則能儲存一萬兩千瓦特小時。）當中東、德克薩斯州和其他地方發現龐大油田時，汽油的價格隨之暴跌，於是汽車也變得連普通美國工人也買得起。
人們開始忘記愛迪生的夢想。效率低落、笨重又動力不足的電池，競爭不過針對渴求能量的民眾而設計的高辛烷值廉價燃料。
由於摩爾定律以廉價的電腦運算能力革新了世界經濟，因此我們往往傾向於假定一切都遵循這條定律。於是當我們見到電池動力效率落後了幾十年，心中不免要感到困惑。我們忘記了摩爾定律只適用於電腦晶片，而類似為電池提供動力的那些化學反應，卻是出了名的難以預測。針對能提增電池效率的新化學反應提出預測是一項重大挑戰。
未來，與其辛勤地測試數百種不同化學物質在電池中的表現，倒不如以量子電腦來模擬它們的性能，這種做法會遠更迅速又廉價。就像有可能幫助披露光合作用或自然固氮作用祕密的模擬做法，或許「虛擬化學」有一天也可能會取代化學實驗室中的艱苦嘗試錯誤。
太陽能革命？
提高電池性能的挑戰蘊含了巨大的經濟影響。早在1950年代，未來學家就宣稱，我們的住家有一天會由陽光供電。遼闊的太陽能電池陣列，輔以強大的風力發電機，將捕捉太陽和風的能量，提供廉價、可靠的能源。免費的能源，那是當時的夢想。
然而，現實卻展現了不同的風貌。過去幾十年間，可再生能源的成本確實下降了，然而速率卻是緩慢得令人心焦。太陽能時代的到來，始終比大家的預期都更緩慢。
部分問題在於現代電池的限制。當太陽不照耀，風也不吹時，可再生能源的電力就會降到零。可再生能源鏈鎖中的薄弱環節是儲存--如何儲存能量以備不時之需。儘管隨著我們系統性地將矽晶片微型化，電腦的速度便呈指數增長，但電池電力的增長，只在我們發現新的效率或甚至新的化合物之時才會發生。目前，電池仍然使用上個世紀已知的化學反應。如果能製造出具有更高效率和功率的超級電池，也就可能大大加速轉型程序，踏向無碳能源未來並遏制全球暖化。
電池的歷史
回顧過去，我們會發現電池的歷史在幾個世紀期間以極其緩慢的龜速進展。在遠古時代，人們早已熟知，如果走過地毯，觸摸門把時就可能受到電擊。但這只是個有趣現象，直到1786年，歷史才被改寫。當時物理學家路易吉?伽伐尼（Luigi Galvani）用一塊金屬摩擦青蛙的斷腿，結果他驚訝地發現，青蛙腿會自行抽動。
這是個關鍵性的發現，因為科學家現在就可以證明，電力可以驅動我們的肌肉運動。科學家瞬間意識到，我們不必訴諸什麼神祕的「生命力」，就能解釋無生命物體如何變得有生命。電力是理解我們的身體如何在沒有靈魂的情況下運動的關鍵。但是，這些在電力方面的突破性研究，也激發了他的一位勇敢的同事。
1799年，亞歷山卓?伏打（Alessandro Volta）製造了第一種電池，並展示了他能創造出一種化學反應來重現這種作用。在實驗室內按需求創造出電力是一項轟動的發現。消息迅速傳開，宣揚現在可以隨心所欲產生出這種奇特的動力。
然而，令人遺憾的是，兩百多年來，電池幾乎都沒有太大改變。最簡單的電池由兩根金屬棒或電極組成，兩個電極分別置放於分開的杯中。在這兩個杯子中，裝有一種稱為電解質的化學物質，這種物質讓化學反應得以發生。兩個杯子由一根管子相連，離子可以沿著管子從一個杯子流向另一個。
由於電解質中的化學反應，電子從一個稱為陽極的電極流出，並轉移到另一個稱為陰極的電極。電荷的運動需要平衡，所以當帶負電的電子從陽極流向陰極時，正電荷的離子也會沿著電解質連接管移動。這些電荷的流動便產生了電力。
這種基本設計幾個世紀以來都沒有改變。改變的主要是種種不同組件的化學成分。化學家不厭其煩地實驗不同的金屬和電解質，好讓電壓最大化或提增其能量含量。
由於普遍認為電動車沒有什麼市場，也就沒有什麼改進這項技術的壓力。
鋰電池革命
在戰後時代，電池技術是個相對被忽視的領域。由於對電動車和便攜式電子設備的需求相對較少，進展停滯不前。然而，對於全球暖化的關注提高和電子市場的爆炸性增長，引燃了電池技術的新研究。
由於汙染和全球暖化的威脅，民眾要求採取行動。隨著對汽車行業轉向電動車的壓力增加，發明家急切地研發更強大的電池。電池逐漸能夠與汽油競爭。
其中一個成功的故事是鋰離子電池的問世，它在市場上掀起一股熱潮。鋰離子電池見於幾乎一切型式的電子設備，包括手機、電腦，甚至大型噴射客機都有。它們之所以如此普及，是由於它們擁有所有可用電池當中最高的能量容量，卻又輕便、緻密、可靠並且效能很高。這是數十年研究的成果，經過艱苦分析了數百種不同的化學物質來了解其電氣特性。
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