文/郭詠澧
圖/樹下繪本
卡通《七龍珠》裡有好幾個場景是孫悟空把手指往頭上一放,悟空立即移動到遙遠宇宙的另一端;電影《星際迷航》裡有呈現光波瞬間傳送系統的鏡頭,這些瞬間移動的畫面,就是物理學中「量子瞬間移動」的概念。
今日在科學上已經實現了瞬間移動的技術,被稱作量子隱形傳態,這是一種量子技術,利用量子力學的「量子糾纏」特性,借助衛星網路或光纖網路來傳輸量子型態的電子訊息,因此量子瞬間移動是有科學依據且已經被實驗成功,但是量子瞬間移動的速度不能超過光速。
科學依據 實驗成功
什麼是量子糾纏呢?量子糾纏是量子力學的基本現象之一,是指在相對遙遠距離的物體之間存在著某種關聯。把這對具有不受距離限制相關聯的量子狀態稱為量子糾纏。
1935年,愛因斯坦、羅森與波多爾斯基共同寫了一篇論文,提出量子力學允許相距遙遠的物體之間存在著某種關聯,稱之為「糾纏」,這種關聯是瞬間的,不受距離限制,愛因斯坦稱此現象為「幽靈般的超距作用」,認為它違背了經典物理中局域性的假設。
但是另一位科學家貝爾做了實驗,證明出量子並不存在隱藏的變量,量子世界本質就是非局域性,實驗中這對粒子並非獨立個體,而是共用同一波函數的命運共同體。
共享命運 距離無礙
量子世界的「糾纏態」最初顛覆了人們的認知,兩個粒子無論相距多遠都能瞬間共享命運,當一個量子系統的狀態發生變化時,無論它們之間的距離有多遠,與之處於糾纏狀態的另一個量子系統狀態也會立即發生變化,測量其中一個狀態必然能同時獲得另一個粒子的狀態;科學家利用這種跨越空間的糾纏狀態來進行訊息的傳遞,量子糾纏成為量子技術的基礎與核心資源之一,已是量子技術發展的關鍵。
今日科學家對量子糾纏技術的研發,正推動著量子技術廣泛的應用,特別是在量子通信與量子計算與計量的領域裡,現在分別介紹如下:
量子通信的應用:是利用量子糾纏來實現安全的量子密鑰分發(QAD)與量子隱形傳態。由於量子糾纏的超時空特性,信息傳輸不受時間與空間的限制,可以實現同步傳輸且沒有延遲,這使得量子通信具有極高的安全性。任何竊聽行為都會被檢測到。
若在城市間舖設量子城域網路設施,市民使用手機,即可實現量子加密通話技術,那麼聊天紀錄將擁有絕對隱私性。人們使用的銀行卡與行動支付,將無盜刷的疑慮,因為有了高端量子技術的加持,駭客要攻克破解此種量子技術相當困難。
量子計算與計量:量子糾纏是量子計算與計量的基礎之一,量子糾纏加速計算任務的處理速度,能夠同時處理多個計算途徑,量子計算機利用量子比特(qubit)的疊加與糾纏態的特性,進行了並行計算,能夠同時處理大量數據,大大地提高了計算效率。量子糾纏更可以提高測量的精準度與靈敏度。例如,利用多模糾纏態可以實現更高精準度的量子計量,量子模擬與量子成像。
因為量子計算模擬科學實驗的精準度高而且成本低,若運用在醫學方面,對藥物之間的相互作用即可事先作出預測,最關鍵的是藥物研發的週期將會大幅縮短,促使一些病症的特效藥會加速提前完成,開發新藥速度與效率將顯著提升,價格也會因此下降,那麼癌症患者,罕見疾病患者可以接受更積極治療,將更快速痊癒。
這種超越時空的默契––量子糾纏,正孕育了量子計算與絕對安全的加密技術,量子技術的開發與應用將會更加改善我們未來的生活。
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