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台大物理系登上日本NHK! 量子技術有望接替半導體 成為下個護國神山? 幕後推手都要從他說起

台大物理系登上日本NHK! 量子技術有望接替半導體 成為下個護國神山? 幕後推手都要從他說起
中原大學物理系講座教授暨該校量子資訊中心主任張慶瑞,他曾任台大物理系主任、台大行政副校長及代理校長,與國科會國際合作處處長。

劉煥彥

科技

劉咸昌攝影、維基百科、讀者提供

2022-09-23 17:00

為何日本NHK特地來台,採訪台大物理系?

時間回到2005年11月,時任台灣大學物理系主任張慶瑞推動的「台大物理文物廳-原子核物理」,在集合眾人努力一年多後,終於在台大校總區二號館正式亮相。

這個文物廳重現了早在1934年,由時任台北帝國大學物理講座教授荒勝文策,在今天台大二號館同一地點,以自行打造的直線粒子加速器創下亞洲史上第一次、全世界第二次的核分裂實驗場景。

1934年的這個成就震驚了日本科學界,不僅使荒勝被京都帝國大學延攬回日教學,也種下了日後荒勝為日本海軍秘密研製原子彈的種子。

2020年,日本NHK為了配合以荒勝文策為背景的電影《太陽之子》(太陽の子),製作了兩集特別節目,並特別為此來台採訪台大物理系,包括拍攝台大物理文物廳內展示的當年原尺寸同型加速器,及專訪張慶瑞教授。

可以說,1934年由荒勝文策在台北帝大(日後的國立台灣大學)創下的亞洲首次核分裂實驗,在86年後把原子彈技術、台灣及台大物理系,全都連結在一起,還登上了NHK報導。

 

1934年他在台北帝大劃時代實驗 成為日本戰時原子彈起源

 

從1918年一次世界大戰結束,到1939年二次大戰的歐戰開打這20多年,是近代物理發展的黃金時期,特別是量子物理中的原子核物理研究,更在歐美多個知名實驗室及科學家努力下,在此時奔向巔峰。

 

1932年4月,英國劍橋大學Cavendish實驗室的考克饒夫(J.D. Cockcroft)及瓦爾頓(E.T.S. Walton),以三年多自力開發的高電壓直線加速器,完成了人類史上第一次以人工加速的粒子,來撞擊原子核的實驗。

 

這型直線粒子加速器從此冠上了兩人的名字,考克饒夫及瓦爾頓也因此獲得1951年諾貝爾物理學獎

 

▲已故台北帝大物理講座教授荒勝文策,與他在京都帝國大學建立的直線粒子加速器。

 

曾在英國Cavendish實驗室深造的荒勝文策,1932年得知上述科學突破後,帶領在台北帝大的助教授太田賴常、助手木村毅一及植村吉明,在物質條件不如歐洲及日本本土的情況下,打造出同型加速器,並於1934年7月在今天的台大校總區二號館101室,成功做出與1932年英國一模一樣的實驗,也是亞洲第一次的原子核撞擊實驗(核分裂實驗)。

 

荒勝文策因此在日本學術圈及科學界名聲大噪,並於1936年應聘至京都帝國大學任教,在該校建立核物理實驗室及直線加速器,這些經歷都使日本海軍在太平洋戰爭爆發後,找上荒勝開發日本自己的原子彈,後世稱為「F研究」,惟最後因種種因素未能成功。

 

戰後台大物理系成立 與原子時代大有關係

 

1945年8月,美國以兩顆原子彈結束了太平洋戰爭及二戰,世界各國領袖莫不驚嘆於原子科技的力量,其中包括中華民國政府及當時中國領導人蔣中正。

 

根據台大物理系說明資料,蔣中正任命浙江同鄉、京都大學物理系畢業的戴運軌,參與接收台北帝國大學。1946年戴運軌來台,成立了台大物理系,並在留台的原荒勝團隊成員太田賴常及多位本地技師協助下,設法重建與戰前相同的直線粒子加速器,終於在1948年5月成功再現與1934年完全一樣的原子核撞擊實驗。

 

張慶瑞日前接受《今周刊》專訪時說:「蔣中正(國民政府)來了之後,馬上把這個重新建立起來,當時台大有一半電力在支持這個實驗室。」

 

「台電大樓為什麼蓋在台大門口?因為(台大物理系的原子核實驗室)要用電。」

 

不過,這段輝煌歷史在1980年代後逐漸被大家遺忘,直到2004年,時任台大物理系主任的張慶瑞,在歐洲大學重視科學文物的啟發下,決定重現這段歷史,把攸關台北帝大及台大物理系初期的這段歷史,以物理文物廳的方式,在二號館原址展現給大家看,最後在2005年11月正式亮相。

 

2020年NHK來台 探訪日本原子彈起源與台灣關聯

 

但張慶瑞萬萬沒想到,2004~2005年的起心動念,讓他在2020年登上了日本NHK的特別節目

 

在名為「原子の力を解放せよ〜戦争に翻弄された核物理学者たち〜」的特別節目中,NHK來台拍攝了台大校園、物理系教室,並在物理文物廳內、體積龐大的原尺寸直線粒子加速器前,專訪了已卸下系主任職務的張慶瑞,想了解荒勝文策與台大物理系之間的關係及歷史。

 

 

 

回憶兩年前這段往事,張慶瑞認為,若不是有荒勝文策的連結,「NHK在(日本)全國聯播台灣這樣新聞,幾乎是不可能的」。

 

「當時如果不當機立斷,在空間、經費都缺乏下,排除萬難啓動。現在即使有足夠經費,若沒有許雲基老師與鄭伯昆老師,與不計名利的老技師林松雲及許玉釧協助,是不可能完成的。」

 

他也覺得,20年前那時「沒有人知道這個歷史,也沒有人重視。突然變成日本焦點,證實我對事情判斷有足夠前瞻與未來性。」

 

「就像現在推量子,梧高鳳必至、花香蝶自來。」

 

台積電公開點名量子技術 鴻海更成立專門研究所

 

現年65歲的張慶瑞,卸任台大物理系主任多年,也已不是系上專任老師,但仍在物理學界及產業界活躍,因為他投入了全新「戰場」:量子技術。

 

他現任中原大學物理系講座教授,以及該校量子資訊中心主任,並創立了台灣量子電腦暨資訊科技協會,也擔任協會理事長。

 

台積電董事長劉德音2019年就公開點名,台積在量子運算不會缺席。美國、歐洲、中國及台灣都投入龐大資源開發量子技術,美中兩國更將量子技術的研發都推升至國家策略層級。

 

2019年10月紐約時報報導,微軟、英特爾、IBM和Google已多年投注大筆經費研發量子技術,近年中國也投資4億美元成立國家量子實驗室,已申請的量子專利數量幾乎是比美國多出一倍。 

 

我國科技部(現更名為國科會)在2018年也宣布,每年投入7000萬元支持大學與研究機構開發量子電腦技術。 

 

在國內產業界最引人注意的,就是2020年6月鴻海董事長劉揚偉宣布成立的鴻海研究院,其中就包括量子計算研究所。

 

身為鴻海研究院諮詢委員的張慶瑞當時指出,量子科技發展快速,但綜觀國內大企業,尤其是準科研領域方面的長期投入,很少有如此前瞻願景,而鴻海研究院投入的幾個研究方向,都是全球未來發展方向,極具前瞻性。

 

 

「量子電腦200秒可以做的事情,古典電腦要花一萬年!」

 

量子運算到底有多威?

 

張慶瑞說明,目前以0與1之間轉換為運作基礎的古典電腦,速度完全無法與量子電腦相比。「Google告訴你,量子電腦200秒可以做的事情,古典電腦要花一萬年!」

 

他也認為,儘管現階段量子技術還不成熟,「運算速度快,惟錯誤率仍高」,但根據他個人觀察及美國科技業界估計,量子技術很可能在2025~2030年進入興盛期,屆時「量子霸權」、「量子技術的商業應用就會大量出現」,最可能先出現的應用領域是金融投資、藥物研發、材料研究,以及城市的大數據管理等。

 

 

目前半導體產業及技術是台灣的護國神山(或群山),張慶瑞認為量子技術極可能在5~10年後成為顯學,但不至於取代半導體,而比較是兩者互補。

 

「Nvidia的黃仁勳(創辦人暨執行長)兩年前就說,Nvidia不會發展量子電腦,而要發展超級電腦及量子電腦的介面。未來的電腦,將是量子電腦與現代(古典)電腦結合的東西。」

 

「很多人有迷思,以為台灣半導體做得好,量子也可以做得好」

 

如果這是量子技術的遠景或願景,台灣憑藉在半導體技術的實力,在投入量子技術上有什麼優勢?

 

張慶瑞說明,「現在的半導體技術對於微小化的幫助很大,但很多人有迷思,以為台灣半導體做得好,量子也可以做得好」。

 

「這其實不能畫等號,為什麼?量子電腦需要在低溫環境(現有技術是在攝氏零下200多度),但半導體到了低溫就是絕緣體,所有功能都會消失。」

 

「我們習慣的設計參數都是在室溫,但量子技術都是在室溫以下,設計參數不一樣,這些在台灣都沒有處理。」

 

 

台灣投入量子技術研發 「一定要有政府力量進來」

 

張慶瑞也認為,台灣如果不想在十年後的全球量子大競賽落於人後,不僅現在就要投入資源、開始培養年輕一代的技術人力,而且一定要有政府力量進來,因為從美國、歐洲到中國都是如此,台灣光靠企業力量不足以成事。

 

「我最近在科普的演講常常這麼講,台灣55歲以上的人,其實不用學(量子技術)了,因為5~10年後這些人都退休了,但20歲以下的,大概一個都跑不掉。」

 

「不管你在哪個領域,(量子技術)只是用多用少而已。你在(政府階層)決策的位子,你不信這個,下一代就沒有競爭力。」

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