書名：量子紀元：一場將要改變世界的運算革命

作者簡介

加來道雄（Michio Kaku）
紐約市立大學的理論物理學教授，也是弦場論的共同創始人。畢業於哈佛大學並獲得學士學位，隨後在加州大學柏克萊分校深造並取得物理學博士學位。著有《2100科技大未來》、《2050科幻大成真》、《離開太陽系》、《神的方程式》（時報出版）等書。他為BBC電視台、探索頻道和科學頻道主持多部電視專題報導，也經常獲邀出現在國內外電視節目中。此外，他還主持兩個全國性的科學廣播節目《探索》（Exploration）和《科學奇談》（Science Fantastic）。他在臉書上擁有五百萬名粉絲。

譯者簡介

蔡承志
國立政治大學心理學碩士，第七屆「吳大猷科普著作獎」翻譯類金籤獎得主。1994年起業餘投入科普書翻譯，1999年轉任全職迄今，期間也從事Discovery頻道字幕翻譯三年。累計作品近九十本，包括：《眺望時光的盡頭》、《給未來總統的物理課》、《星際效應》、《好奇號帶你上火星》、《無中生有的宇宙》、《時空旅行的夢想家：史蒂芬．霍金》、《大人的物理學》、《詩性的宇宙》、《大轉折》、《伊波拉浩劫》、《下一場人類大瘟疫》、《最後一個知識人》和《神的方程式》等。

書籍目錄

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

推薦序/導讀/自序

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
（依姓名筆畫排序）

各界讚譽

加來道雄在《量子紀元》書中以大量篇幅重述了計算的發展歷史，引領受眾回溯到圖靈機和電晶體發明並為計算技術奠定關鍵基礎的歷程。不過，他的關注焦點是令人瞠目結舌的未來……む加來道雄的め明晰文筆和思維歷程，讓這項科技轉折點變得淺顯易懂。——《紐約時報書評》（The New York Times Book Review）

精闢地闡述並糾正了關於量子計算的常見誤解——而這項技術經專家認定也很可能對社會產生深遠的影響……加來道雄巧妙地引領讀者在相關科學領域穿梭遊覽……清楚分明……他擅長構思出通俗易懂的隱喻來解釋量子力學和計算技術的複雜性。……文筆流暢、通俗易懂，向讀者提供了量子計算技術的全面概述，涵蓋其基本原理與潛在前景。——《科學》期刊

知名物理學家剖析量子計算令人驚嘆的潛能。將繁複的科學概念轉化為通俗易懂的語言是一門藝術。紐約市立大學的物理學教授，加來道雄正是實踐這門藝術的佼佼者……他檢視量子計算如何深刻影響生物技術、醫學、能源、糧食生產與環境建模——幾乎涵蓋人類活動的所有層面……作者時而停下腳步提供摘述，考量到這門課題先天蘊含的複雜度，這點便顯得相當重要。一如既往，加來道雄的熱情極具感染力，而這部最新著作，則是通往科技未來一個關鍵部分的重要指南。本書內容翔實，讀來興味盎然，描繪出了一場正在開展的計算革命。——《柯克斯書評》

極具啟發性……展現出一幅令人屏息的廣闊視野，揭示量子計算的前景、力量與可能性……加來道雄將激發對電腦與量子力學交匯點感興趣的〔讀者的〕想像力。——《書單》（Booklist）

文章試閱

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。查看元素週期表，我們就會看到，鋰是所有金屬中重量最輕的，這對於需要輕量化的汽車和飛機電池來說非常重要。
我們還看到它有三顆電子環繞原子核運行。頭兩顆電子填滿了原子的最低能量層級，即1S殼層，因此第三顆電子位於較高的軌域上，與原子核的結合較為鬆散，使得它很容易被移除並為電池提供能量。這是鋰電池如此容易產生電流的原因之一。
總結來說，鋰離子電池具有一個由石墨製成的陽極、一個由氧化鋰鈷製成的陰極，以及一種由乙醚製成的電解質。鋰離子電池的影響具有高度革命性，於是好幾位貢獻完善這項技術的科學家，共同獲頒諾貝爾化學獎，包括：約翰・古迪納夫（John B. Goodenough）、M•史丹利・惠廷安（M. Stanley Whittingham）和吉野彰（Akira Yoshino）。
然而，鋰離子電池有個不理想的特徵是，儘管它們擁有市場上所有電池中最高的能量密度，但它們依然只擁有汽油所儲存能量的百分之一。如果我們要進入無碳時代，我們就需要一種能量密度接近化石燃料對手的電池。

超越鋰離子電池
由於鋰離子電池在現代社會中無處不在而且成就了輝煌的商業成功，因此目前湧現了一股尋找下一代電池的替代品或改進方案的熱潮。同樣地，工程師依賴受限於他們的嘗試錯誤門路。
其中一種候選技術是鋰空氣電池。與其他完全密封的電池不同，鋰空氣電池允許空氣流入。來自空氣的氧與鋰交互作用，釋出電池的電子（並生成過氧化鋰）。
鋰空氣電池的主要優勢在於其能量密度是鋰離子電池的十倍，因此其能量密度逐漸接近汽油的水平。（這是由於氧來自免費的空氣，並不是必須儲存在電池內部。）
儘管鋰空氣電池的能量密度大幅提升，但一系列技術問題仍然阻礙了這種卓越電池的實際應用。特別是，它的使用壽命只有約兩個月。對這項技術抱持信心的科學家相信，藉由以種種不同化學物質進行實驗，或許就能夠解決這當中的許多技術問題。
2022年，日本國立研究開發法人物質・材料研究機構（National Institute for Materials Science）與投資公司軟銀集團（SoftBank）合作，公布了一種前景看好的新型鋰空氣電池，其能量密度遠高於標準鋰離子電池。然而箇中細節依然並不明朗，無法獲知他們是否克服了這項前景可期的技術眼前所面臨的系列問題。
擁有電動車的一個持續困擾是給電池充電所需時間，這可能需要幾個小時到一天。因此，另一項正在探求的技術是超核電芯（SuperBattery），這是一款由骨架科技（Skeleton Technologies）和德國卡爾斯魯爾理工學院（Karlsruhe Institute of Technology）共同開發的混合系統，有指望能在短短15秒內為電動車充電。
就一方面，它使用了一款標準型鋰離子電池。但其新穎之處在於，這款超核電芯將鋰離子電池與電容器結合，來縮短充電時間。（電容器儲存靜電。最簡單的形式是由兩片平行的極板組成，一片帶正電，另一片帶負電。電容器的主要優勢在於，它們能夠儲存電能並迅速放電。）利用超級電容器來實現快速充電也吸引了其他公司。特斯拉最近收購了馬克士威科技（Maxwell Technologies）來探索這門途徑。因此，這種混合式技術已經上市，並有指望能大幅提高擁有電動車的便利性。
由於潛在的回報非常可觀，許多有進取心的團體正在積極開發鋰離子電池的後繼技術。其中包括以下實驗性技術：

・納華科技（NAWA Technologies）宣稱該公司運用奈米技術的超快碳電極（Ultra Fast Carbon Electrode），能夠將電池功率提升達十倍，並將使用壽命延長至五倍。他們聲稱，電動車的續航里程可以達到一千公里，充電時間則僅需五分鐘即可達到百分之八十容量。
・德州大學的科學家聲稱，他們能夠去除電池所含的一種最不受歡迎的成分——鈷。鈷既昂貴又有毒，他們聲稱可以用錳和鋁來取代它。
・中國電池製造商蜂巢能源（SVOLT）宣布，他們也能夠把他們的電池中的鈷替換掉。他們聲稱能夠將電動車的續航里程提高到八百公里，並改進電池的壽命。
・東芬蘭大學（University of Eastern Finland）的科學家開發了一種兼採矽和碳奈米管的混合式陽極的鋰離子電池，並聲稱這就能夠提高電池的性能。
・另有一支團隊也投入研究矽，那是加州大學河濱分校的科學家，他們使用了基本的鋰離子電池，只除了將石墨陽極替換為矽質。
・澳洲莫納許大學（Monash University）的科學家已經將鋰離子電池替換成一款鋰硫電池。他們聲稱，他們這種電池可以為智慧手機提供五天的電力，或為電動車提供一千公里的續航里程。
・IBM研究院（IBM Research）及其他機構正在研究如何以海水來替換鈷、鎳等有毒元素，甚至取代鋰離子電池本身。IBM聲稱，海水電池還更便宜，並且擁有更高的能量密度。

儘管鋰離子電池正在逐步改進當中，然而兩百年前由伏打引入的基本策略依然伴隨我們。期望量子電腦能夠讓科學家得以促使這個程序系統化進展，讓實驗變得更便宜、更有效率，也好讓數以百萬計的實驗都能夠採虛擬方式來進行。
問題在於，電池內部的複雜化學反應並不依循任何如同牛頓力學這樣的簡單定律。但量子電腦或許能夠完成這些繁重的計算，模擬複雜的化學反應而不必實際去執行它們。
毫不意外地，汽車產業正在投資量子電腦，看能不能以純數學來設計出超級電池。超高效能電池可以解決阻滯太陽能時代的主要瓶頸：電力的儲存。

汽車產業與量子電腦
汽車業界有一家公司看出量子電腦能夠徹底改變其行業，那就是擁有梅賽德斯—賓士的汽車巨頭戴姆勒。早在2015年，戴姆勒就創建了量子計算倡議（Quantum Computting Initiative）專案，要隨時掌握這個快速變化領域的進展。
來自梅賽德斯—賓士北美研發部門（Mercedes-Benz Research and Development）的本・博瑟（Ben Boeser）說：「這是一項非常以研究為導向的活動，關注距今十到十五年後的發展，但我們希望在新宇宙開創之際，能夠了解其基礎原理——而我們這家公司也希望能成為其中的一部分。」戴姆勒重視量子計算技術不僅只是出自科學上的好奇心，他們還想從中分得一杯羹。
戴姆勒的線上雜誌的編輯霍爾格・莫恩（Holger Mohn）指出，除了發現新的電池設計之外，量子計算技術還有其他哪些好處。他寫道：「它可能成為發現更高效能新技術的最佳方法，模擬空氣動力學造型來提高燃油效率和乘坐舒適性，或者優化具有繁多變量的製造過程。」2018年，戴姆勒組建了一個頂尖工程師網絡，協同Google和IBM密切合作，投入開發解決這些棘手問題所需的技術。他們已經在撰寫代碼並上傳到雲端，好讓自己熟悉量子計算技術。
例如，空氣動力學的基本方程是眾所周知的。但是，與其操作昂貴的風洞測試來減弱汽車的空氣摩擦，不如將汽車置於「虛擬風洞」當中還更便宜又更方便，也就是在量子電腦的記憶體中測試汽車設計的效率。這樣就可以快速分析來減少阻力。
空中巴士目前正使用量子電腦來創建虛擬風洞，用來計算他們的飛機在爬升和下降時的最省油路徑。而福斯汽車也正在使用這項技術來計算公共汽車和計程車在交通壅塞城市中的最佳行駛路徑。
自2018年以來，BMW一直在使用漢威聯合公司的最新量子電腦來解決許許多多的問題。他們正在探究的幾個方向包括：

・創造出更好的汽車電池
・確定安裝電動充電站的最佳位置
・找出效率更高方法來採購用來納入BMW汽車的各類零件
・提升空氣動力性能和安全性

特別是，BMW正在尋求利用量子電腦來幫助優化計畫項目，亦即在提高性能的同時也降低成本。