量子物理走入日常！ 諾貝爾獎揭密USB隨身碟背後的微觀奇蹟

【緯來新聞網】2025年諾貝爾物理學獎頒給三位量子科學家，表彰他們在量子穿隧與能量量子化的開創性研究。這項看似高深莫測的理論，其實早已深入我們的日常生活——從300元的USB隨身碟，到演唱會絢爛的LED燈光，都藏著量子物理的神奇應用。

臺灣大學物理系管希聖教授在《投資聊一SHOT》節目中，用淺顯易懂的方式，解開量子世界的神秘面紗。他指出，量子現象最令人驚奇之處，在於它完全顛覆我們的日常經驗。

（圖／投資聊一SHOT提供）

微觀世界的「穿牆術」
管教授以生動的比喻，說明量子穿隧效應：「想像你把一顆球丟向牆壁，在我們的宏觀世界裡，球一定會反彈回來。但在微觀世界中，球竟然有機率直接穿過牆壁！」這種違反直覺的現象，正是量子力學的迷人之處。

所謂微觀世界，指的是原子分子的尺度，大約是奈米等級——相當於頭髮寬度的十萬分之一。在這個尺度下，物理規則與我們熟悉的宏觀世界，截然不同。

這次獲獎的研究，一部分聚焦於「約瑟夫森接面」（Josephson junction）的量子穿隧現象。管教授解釋，當溫度降到極低時，某些材料會變成超導體，其中的電子會兩兩配對形成「庫柏對」（Cooper pair）。這些庫柏對如同一個巨大的量子系統整體運動，即使中間夾著絕緣體，依然能夠穿隧通過，產生無電阻的電流。

這種宏觀尺度的量子穿隧效應，涉及成千上億個庫柏對共同作用，證明量子現象不僅存在於微觀世界，在相對宏觀的系統中也能觀察到。

能量的「階梯效應」
另一項獲獎成果是證實能量量子化，在宏觀世界中的存在。管教授用爬樓梯來比喻：「在量子世界裡，能量就像階梯，只能存在第一階、第二階、第三階，不可能有1.5階這種中間狀態。」

這種離散的能階結構，是原子世界的基本特徵。當電子從高能階跳到低能階時，會釋放出特定波長的光，形成獨特的光譜。每種原子都有專屬的能階圖譜，科學家可以藉此辨識物質的成分。

量子科技就在你身邊
這些看似遙不可及的理論，其實已經融入現代生活的各個角落。管教授列舉了多項實際應用：
首先是快閃記憶體（flash memory）。無論是USB隨身碟、手機記憶卡或筆電固態硬碟，都利用量子穿隧效應，來寫入跟抹除數據。電荷透過穿隧進出浮柵區域，實現資訊的儲存與讀取。一個售價僅300元的隨身碟，就已經應用了諾貝爾等級的量子物理現象。

在通訊領域，穿隧二極體作為高速電子開關，應用於5G基地台和衛星通訊系統，支撐著現代通訊網路的運作。
能量量子化的應用更是隨處可見。雷射光的產生，需要將電子激發到高能階，再透過誘發，讓電子集體釋放光子。LED燈則是利用電子與電洞，在特定區域複合，從高能階躍遷到低能階時發光。不同材料的能階差異，造就了五彩繽紛的LED燈光效果。

醫療診斷常用的X光，同樣基於能階躍遷原理。將原子電子打到高能階，再躍遷回低能階時釋放的高能光子，就是X光的來源。

從基礎研究到量子電腦
這項研究早在1985年就已發表，為何直到2025年才獲獎？管教授解釋，諾貝爾獎委員會通常需要多方實驗，去驗證理論的正確性，並評估其長遠影響。經過40年的發展，這項研究不僅被反覆驗證，更開啟了超導量子位元和量子電腦的研究大門。

超導量子電路如同「人造原子」，科學家可以精密控制其能階變化，進行原本在天然原子中難以實現的操作。加上其製程與半導體產業相容，在大規模生產上具有優勢，成為量子電腦發展的重要路線之一。

管教授指出，目前量子電腦領域呈現百家爭鳴的態勢，超導電路只是眾多物理系統選項之一。儘管一台兩位元的量子電腦，造價可能高達600萬美元，遠非300元隨身碟可比，但兩者都建立在相同的量子原理之上。差別在於量子電腦需要極其精密的控制與運算能力，技術複雜度完全不同。

這次諾貝爾獎的頒發，不僅肯定了三位科學家的卓越貢獻，更提醒我們：那些看似抽象的基礎科學研究，往往孕育著改變世界的應用潛力。從理論到應用，從實驗室到日常生活，量子物理正悄然塑造我們的現代文明。

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