Science 年度十大科學突破：第一部量子機器

Science's breakthrough of the year: The first quantum machine
http://www.physorg.com/news/2010-12-science-breakthrough-year-quantum-machine.html

December 16, 2010

直到今年為止，所有人造物體都根據古典力學的定律來運動。但，回到三月，一群研究小組設計出一種小機件，其運動方式只能由量子力學來描述 -- 這一套法則統御微小事物，如分子、原子及次原子粒子的行為。在確認其實驗突破的概念性基礎、獨創性及其許多潛在應用上，Science 稱此發現為 2010 年最重大的科學進展。

來自 UCSB 的物理學家 Andrew Cleland 與 John Martinis 以及他們的同事，設計出這部機器 -- 一個（裸眼可見的）半導體的微小金屬槳狀物（paddle），並誘哄它與量子溝（quantum groove）共舞。首先，他們將槳狀物冷卻到『基態』，即量子力學定律所允許的最低能量態（一個物理學家們尋覓已久的目標）。接著，他們透過單個量子提升此小機械的能量以產生純粹地量子力學態運動。他們甚至試圖使這小玩意兒同時處於二種狀態，讓它實際上同時出現大、小振動 -- 這種奇異現象為怪誕的量子力學規則所允許。

Science 及其出版者，AAAS（非營利性科學協會），已將這第一部量子機械視為 2010 年度突破。它們亦將過去一年中的九種重要科學成就彙編成一個十大排行榜，並出現在該期刊 12/17 當期的特別新聞特輯中。此外，Science 新聞撰稿者與編輯也決定要聚焦使 21 世紀科學地景改觀的十大『十年洞見（Insights of the Decade）』。

"今年的年度突破代表科學家首度在人造物體的運動中證明量子效應，" Adrian Cho 表示，Science 的新聞撰稿者。"在概念層次上，那很酷，因為那將量子力學擴展到全新領域。在實用層次上，它開啟了各種可能性，從混合光、電流與運動之量子控制的新實驗到（或許有朝一日）測試量子力學的邊界還有我們對於實在（reality）的感知。"

這款量子機械證明量子力學的原理能應用到巨觀物體以及原子和次原子粒子的運動上。在量子層次獲得一物體之振動的全面控制上，它提供了跨出第一步的關鍵。此等對於改造裝置運動的控制，應能使科學家操縱這些微小運動，那與他們現在控制電流及光的粒子十分類似。接著，這種能耐也許導致能控制光之量子態、超敏感力偵測器的新裝置出現，最終，探究量子力學以及我們實在感知的邊界。（藉由試著使巨觀物體處於某種狀態：在其中，它實際上同時出現在稍微不一樣的地方 -- 這種實驗也許能精確地揭露為何某些像人一般大的物體無法同時出現在兩處 -- 也許能達成後者這個這宏大的目標。）

"提醒你一下，物理學家尚未達成使這種微小物體同時身處二處的狀態，" Cho 說。"不過他們現在已達到量子運動的最簡單狀態，那似乎比『能獲得（那種狀態）』還要更多 -- 更像是『時間早晚』的問題。"

其他九項 2010 年開創性成就的 Science 清單如下：

＊ 合成生物學：在生物學與生物技術的決定性時刻中，研究者打造出一個合成基因組，並用它來改變細菌本體。此基因組取代了細菌的 DNA，所以它產生一組新的蛋白質，這項成就促成一場合成生物學的國會聽證。在未來，研究者展望『客製』合成基因組能產生生物燃料、藥物或其他有用的化學物質。

＊ 尼安德塔人（Neandertal）基因組：研究者利用三位雌性尼安德塔人的骨骼（她們生活在 38,000 到 44,000 年以前的 Croatia），將尼安德塔人基因組定序。新方法能將已分解的 DNA 片段定序，讓科學家能在現代人類的基因組與我們尼安德塔人祖先的基因組間進行直接比較。

＊ HIV 防治：二種不同的、策略新穎的 HIV 預防試驗報告明確的勝利：一種包含抗 HIV 藥物泰諾福韋（tenofovir）的陰道凝膠減少百分之 39 的婦女感染 HIV，還有一種口服的暴露前（pre-exposure）預防方法致使一組男性與跨性別（transgender）女性（與男性有性行為）的 HIV 感染少了百之 43.8。

＊ 外顯子組（Exome）定序／罕見疾病基因：藉由將某基因組的外顯子（ exons，或實際上具蛋白質編碼的微小部份）定序，研究由單一有瑕疵基因所引發之罕見遺傳性疾病的研究者，能確認造成至少一打疾病的特殊突變。

＊ 分子動力學模擬：模擬蛋白質在摺疊時所產生的迴旋（gyrations）已成為一種組合夢靨（combinatorial nightmare）。現在，研究者已能駕馭世上最強大電腦之一的威力，追蹤某種小型摺疊蛋白質當中的原子運動，其長度比先前任何研究多百倍以上。

＊ 量子模擬器：為了描述他們在實驗室裡看到什麼，物理學家基於方程式編造理論。這些等式可以是無敵難解。然而今年，研究者藉由製造量子模擬器 -- 人造晶體，在其中雷射光點扮演離子的角色，而被光捕獲的原子則代表電子 -- 發現一條捷徑。該裝置提供凝態物理學中理論性問題的快速解答，它們也許最終能幫忙解開諸如超導性這樣的謎。

＊ 次世代基因組學：快速且廉價的定序技術允許非常大規模的古代與現代 DNA 研究。例如 1,000 Genomes Project 已確認絕大多數使我們成為獨特人類的基因組變異 -- 而其他進行中的計畫則準備要揭開更多基因組功能。

＊ RNA 再程式化：再程式化（重編程）細胞 -- 將其生長時鐘回調，使其表現如胚胎中未特化的『幹細胞』 -- 已成為研究疾病與生長（development）的標準實驗室技術。今年，研究者發現一種方法，利用合成 RNA 辦到這件事。與先前方法相較，這種新技術快上二倍，效率達百倍，而在治療用途上可能更安全。

＊ 大鼠的逆襲：小鼠統治實驗室動物的世界，但基於諸多目的，研究者反而會使用大鼠。大鼠較易共事且解剖學上更類似人類；牠們的大缺點是製造『基因剔除小鼠』（為了研究需要而量身打造動物，其特定基因被精確地關閉）的方法對大鼠無效。然而，今年引起一陣騷動的研究，承諾使『基因剔除大鼠』大舉進軍實驗室。


最後，為了慶祝當前這十個年頭的終了，Science 新聞記者與編輯回顧他們的每週報導以獲得更視野更廣的『十大科學洞見』，它們自新千禧年初露曙光以來，改變了科學的面貌。下面是這十大『十年洞見』名單。

＊ 黑暗基因組：基因通常獲得所有榮耀。然而，研究者現在承認，基因組裡的這些蛋白質編碼區域僅佔整體的百分之 1.5。其餘基因組，包括小型編碼與非編碼 RNA -- 先前被貶為『垃圾』 -- 結果證明與基因一樣重要。

＊ 精確的宇宙學：過去十年來，研究者推演出一份非常精確的宇宙成份配方，那由一般物質、黑暗物質與黑暗能量組成；以及將其兜在一起的指令。這些進展已將宇宙學轉變成精確的科學且具有標準理論，已沒有多少彈性空間（wiggle room）容納其他想法。

＊ 古代生物分子：領悟到『生物分子』如古代 DNA 以及膠原（collagen）能殘存千百萬年之久，並提供滅絕許久之動、植物與人類的重要資訊，使得古生物學熱門起來。這些微小時間機器的分析現在能揭露骨骼證據所無法提供的解剖學適應（anatomical adaptations），例如：恐龍羽毛的顏色或長毛象如何禦寒。

＊ 火星上的水：過去十年有半打火星任務提供明確證據，紅色星球一度擁有足夠的水 -- 無論是在表面或內部 -- 改變了岩石的形成，且，有可能，維持生命。火星上的水也許存在於地球大約剛開始出現生命的時候，不過今日火星上仍有足夠溼氣鼓舞科學家尋找活著的、會呼吸的微生物。

＊ 再程式化細胞：在過去十年間，生長（development）是條單行道的這種想法已經轉向。現在，研究者已理解如何將已發育的細胞完全『再程式化（重編程）』成所謂的多能性細胞（它們再度獲得變成體內任何類型細胞的潛力）。這項技術已用來製造來自罕見疾病病患的細胞株，但最終，科學家希望能培養出在遺傳上相符的替代細胞、組織與器官。

＊ 微生物體（Microbiome）：我們在看待以人體為家之微生物與病毒上的主要轉變，導致研究者提出微生物體的概念 -- 或宿主與其他生活在其內或其上之生物的集體基因組（collective genomes）。因為我們體內百分之 90 的細胞事實上是微生物，所以科學家們開始理解微生物的基因在影響我們從我們的食物中吸收多少能量上能有多顯著，以及我們的免疫系統如何回應感染。

＊ 系外行星（Exoplanets）：在 2000 年，科學家只知道 26 顆在我們太陽系外的行星。到了 2010 年，這個數字已躍升到 502 顆 -- 而且仍在加計中。利用新興技術，天文學家預期能在宇宙中發現大量如地球般的行星。不過到目前為止，所發現的、尺寸與軌道較大的行星正革新科學家對於行星系統如何形成與演化的理解。

＊ 發炎：不久之前，發炎已知是我們療癒機制（healing machinery）的簡單夥伴，簡單的說就是要幫助免疫細胞重建因外傷或感染所導致的組織損傷。然而，今日研究者認為，發炎亦是慢性疾病背後的驅力。這些最後幾乎會將我們全都殺死的慢性病，包括癌症、阿茲海默症、動脈硬化症、糖尿病與肥胖等。

＊ 超材料（Metamaterials）：透過合成具有非傳統以及可調整之光學特性的材料，物理學家與工程師開拓新方法來引導與操縱光，創造出公然挑戰解析度基本極限的透鏡。他們甚至開始建構能使物體不被看見的『隱形斗篷』。

＊ 氣候變遷：過去這十年來，研究者鞏固某些環繞在全球氣候變遷四周的根本事實：世界正在變暖、人類是暖化元兇之一，以及地球的自然過程不太可能減緩暖化。不過，下個十年將決定科學家與決策者如何繼續進行這個重要資訊。

※ 相關報導：

＊ Insights of the Decade, Breakthrough of the Year 2010
http://www.sciencemag.org/site/special/insights2010/

＊ 今年10大科學成就雅蒂最亮眼
＊ Science 2008 年度科學突破：細胞再程式化
＊ Science「年度科學突破」：人類遺傳變異