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量子隱形傳送的突破為什麼還是無法讓我們如星艦船員一樣在宇宙間迷航?

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撰文者:報導與編譯:林中一 教授 (國立中興大學物理系)
發文日期:2016-10-19
點閱次數:1183
  • 運用量子力學所揭諸的詭異「量子隱形傳送」特性:量子質點的「狀態」能在兩地間瞬間傳送,兩組研究團隊目前已經創下了量子隱形傳送的傳送距離記錄:其中一組是在加拿大卡爾加里地區用光纖傳送了光子的狀態6.2公里遠,另一組則在中國上海地區傳送了光子的狀態達14.7公里。
    小女生




    這兩個已經在「自然光子期刊」(Nature Photonics)被報導的進展,雖然最終可以發展出完全防駭的量子互聯網,但是量子隱形傳送除了這個之外,還能做什麼?我們有可能因此而能在嚴寒一月裡的清晨被無痛的瞬時傳送到辦公室?
    我們何時能透過量子隱形傳送來旅行?







    博士


    非常抱歉,答案是「永遠不能」!其實是名字造成的誤會,量子隱形傳送與「星艦迷航」(Star Trek)影集或其他科幻小說中所描述的瞬間傳送一點關係都沒有。影集所演的通常牽涉到物體經分解後,透過某種傳射方式
    穿過空間,然後立即且完美的在遠方某地重組成原來的個體。但是量子隱形傳送的過程裡完全沒有東西被分解或重組,而且沒有物質的傳送。更有甚者,其過程只對單獨的量子質點:光子、電子、原子,…等等有效。不論名字長短,量子隱形傳送和「真實的」瞬間傳送,除了名稱雷同,實質上毫無相同之處。






    ab93a4f9c1c50a579ba0536f412f9424如果不能傳送物質,那麼量子隱形傳送能做些什麼?

    與星艦迷航裡送個隊伍到某行星出任務相比,量子隱形傳送能做的顯然稍遜野心但更為精妙。量子隱形傳送能在不移動質點的情形下,將一個量子質點的「狀態」到瞬間傳送遠處的另一個量子質點。這有點像將一個鬧鐘表面的讀數傳送到遠處的另一個鬧鐘的表面。

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    將一個鬧鐘的讀數顯現在另一個鬧鐘上很偉大嗎?

    一個像光子的質點的量子態是遠比鐘面的讀數要複雜而且脆弱。你可以單純的讀出鐘面的時間並將之定在另一個鬧鐘上,但一般來說當你測量一個量子質點的狀態時,測量的過程會讓你無法避免的會改變它。而且你無法單純的將一個量子質點的狀態「複製」到另一個質點上。量子力學的規則就是不容許你這樣做。但是你可以想個辦法在不去測量狀態的情況之下,將一個量子質點的狀態傳送到另一個質點那兒。沿用鬧鐘的類比,這就像在不去看第一個鬧鐘的讀數之下,將讀數傳送到另一個鬧鐘去。

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    這樣做行得通嗎?

    這真的有點複雜。要想弄清楚,你需要先對所謂量子狀態有點概念。考慮一個光子─這是電磁波的基本元素,所以光子可以被「偏振化」使得其電場指向鉛直方向或水平方向。歸功於量子力學的怪異性,一個光子可以「同時」處在鉛直偏振與水平偏振這兩種狀態,而這兩種狀態分佔的比例進一步定義了光子的狀態,但這還沒完。
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    電磁波示意圖(圖片來源:wikimedia commons)
     
    要明確定義光子的狀態,除了鉛直與水平偏振是如何的混搭之外,還需標明第二個參數,就是類似一種角度的「相」。所以要完整說明一個光子的狀態,我們必須講清楚鉛直與水平偏振是如何混合的,還要加註光子的「相」。我們可以借助一個球甚或一個地球儀來給個圖像─球的北極代表純鉛直狀態而南極代表水平狀態。
    於是光子的確實狀態就可由球面上的一點代表,那一點的緯度說明鉛直與水平偏振是如何分配的,經度就給定了「相」。這樣,舉個例子,赤道上每一點表示光子具有相等份量的的鉛直偏振與水平偏振,但是各點對應的「相」就不同了,需要更複雜的方法才能量出來。

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    那麼你為什麼不能直接把光子的狀態從球面讀出來?

    你不能直接讀出光子的完整狀態,是因為對量子質點的測量是無法提供全面的資訊。若一個光子處在某個你並不清楚的狀態,你不能問那個狀態在球面的座標為何,你必須透過測量來瞭解。最簡單的情況是,光子的偏振是鉛直的還是水平的?你的測量結果只會是鉛直或水平其中之一,兩者出現的機率會依據兩種偏振的確實混搭比例表現出來,但是「相」的信息是完全不能在測量的結果鍾顯現。更糟糕的是,測量偏振的結果會把光子的狀態留在你量到的鉛直或水平偏振,而回不去兩種偏振混搭的原始狀態;量子力學把這種情況稱為「狀態塌縮」,亦即測量過程無可避免的干擾到原始的狀態─這是量子理論的核心概念之一。
    一個光子的狀態可以由「布洛赫球」面上的一點來描述。該點的緯度(θ角)決定了水平與鉛直偏振的混搭比例。經度(φ角)則沒有古典的類比但卻是許多詭異的量子效應的根源。
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    布洛赫球面(圖片來源:wikimedia commons)
     
    ab93a4f9c1c50a579ba0536f412f9424但如果無法量得光子的確實狀態,那如何將之傳送?

    那麼你需要借助多幾個光子,以及另一點量子力學的神秘成份。兩個光子可以透過一種稱為「糾纏」的方式聯繫起來。當兩個光子發生糾纏,個別光子的狀態是完全不確定的,但是兩者的狀態卻是密切相互關聯的。(譯者註:這有點像A、B兩個物件一個是香蕉,一個是橘子;你完全不知道A和B那個是香蕉,那個是橘子,但是你若看到A是橘子,那麼B就一定是香蕉。)所以,在那個抽象的球面,我們完全無知於個別光子狀態對應的位置─在任何瞬間它們就是可以處在任何位置。但是不要管這一層個別狀態的不確定性,我們可以完全控制這兩個光子狀態的相互關聯。舉例來說,如果我們訂出光子間的關聯是它們都處於相同的狀態,那麼,當我們測量光子之一的狀態,使其塌縮到北緯400、西經800時,我們可以確定,不論相隔多遠,另外一咖光子也會塌縮到同一個狀態。這種成對的狀態塌縮是量子隱形傳送的核心概念。

    舉個例子來說明,如果有愛嬌和志明兩個人,以及在兩人中間的第三個人老查。現在愛嬌預備了一個光子要做隱形傳送─她選定了那個光子在抽象球面的座標,然後透過一條光纖把光子送給中間的老查。在同一個時刻,老查預備了一對相互糾纏的光子,他留了一個,把另一個送給志明。

    現在,微妙的部分出現了。當老查收到愛嬌的光子時,他就對愛嬌的光子和他留下來的那個光子進行一種特別的雙光子「合併」測量。由於量子測量造成光子狀態的塌縮,老查的測量實際上迫使這兩個光子形成糾纏態(譯者註:這有點像阿匹婆和素珠原本不相識,有一天一同去店裡買醬油,老闆金城五同時向她們推薦新產品「F4帥哥牌」醬油,於是阿匹婆和素珠就彼此認識,有了關聯。兩個光子原本各有來源,各自處在無關的「單光子狀態」狀態。但被「合併量測」後,兩者就塌縮到某一個「雙光子狀態」,於是就有了糾纏。)

    然而,當老查在完成他對那一對光子(一個是愛嬌送來的,一個是他留下的)的糾纏測量時,一件神奇的事情發生了:他送給志明的那個光子的狀態會瞬時塌縮到愛嬌光子的原始狀態。也就是說,當初愛嬌所預備的光子狀態被傳送到了志明那裡,即使志明位在離老查好幾公里遠的地方,好像他也參與這個實驗。

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    那麼為什麼是這樣?

    這個實驗的關鍵在於光子糾纏的關聯內涵。此外,你必須回去把確實的數學過程算一遍,才能看出為什麼愛嬌光子的狀態能傳送給志明。一旦你熟悉了量子力學的符號,任何學過高中代數的人就能做這種計算。這就是高中代數的用處之一。

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    物理學家們實際上是這樣做的嗎?

    很接近了。唯一的不同之處在於她/他們使用了光子基本狀態到達時間的些微差異,而非不同的偏振。實驗困難的部分在於要保證那兩個在老查那裡的光子基本上要同時到達而且有全同的顏色與偏振。如果有所不同的話,那這個實驗就無效了。而這些就是在這麼長距離作量子隱形傳送技術上的挑戰。

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    這玩意到底有啥好處?

    雖然很抽象,但是量子隱形傳送可以用作製造量子互聯網。這有點像現在的互聯網,但能讓使用者傳輸量子狀態以及其內蘊含的資訊,不像古典資訊是由一串0和1所構成。

    目前,物理學家與工程師們已經可以建造部分量子網路來保障經由光纖所傳送信息的安全。這種技術就是運用單一光子分發數字金鑰來給加密信息上鎖與解碼的。保障安全的關鍵就是利用竊聽者無法在不干擾光子的情況之下測量光子的狀態,所以一旦有人竊聽(測量)就會曝光。但現在,那些互聯網還尚未全面量子化,以致信息必須在網路的每一個節點解密再加密,產生節點的安全破綻,因此無法全然防駭。

    有了量子隱形傳送,物理學家和工程師們可以在遠距的網路節點間建立糾纏的聯繫。原則上,這可以讓在節點的使用者能夠傳送加密信息,而這些加密信息是無法在中繼節點解密的,如此確保了信息不會被駭。而且如果物理學家真的把一般用途的量子電腦做出來─所運用的「量子位元」可以註記為0、1,或同時是0或1。量子電腦的運算能力是壓倒性的遠超過傳統電腦。那麼這種量子網路就能讓使用者將電腦的初始設定自遠端載入電腦中。

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    那什麼時候能實現?

    天曉得!但是量子互聯網看來要能比一個一般用途的量子電腦更早問世。
    這很酷吧!但能不能在嚴冬將閣下瞬間傳送到辦公室?
    很抱歉!您仍然需要把自己包得像個肉粽來面對寒冷。


    原登載於Science http://www.sciencemag.org/news/2016/09/big-step-quantum-teleportation-won-t-bring-us-any-closer-star-trek-here-s-why
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