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25公里瞬間移動,量子資訊的長距離轉移

昱夫
・2014/10/04 ・1339字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 533 ・七年級

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Crystals which contain photonic information after the teleportation. Credit: © GAP, University of Geneva (UNIGE)

瞬間移動,一直是動畫和漫畫中屢見不鮮的迷人素材,現實生活中很難想像:當我眼前站著ㄧ個人(看著他的時候,經由光線進入我眼睛造成「觀察」,讓我得知了他包含位置、外型等等資訊),在下一瞬間卻憑空消失,轉而在我身後出現,這裡要描述的事件並不是因為他跑很快讓我看不見所造成,而是他的資訊在瞬間被轉移!這種情形在巨觀的世界裡當然不會出現,不過科學家卻成功在量子尺度下辦到了!

日內瓦大學(University of Geneva)的Nicolas Gisin團隊在Nature photonics期刊上發表的研究[1],首次將一個光子的量子態資訊「瞬間移動」至25公里外的晶體內,此研究不僅打破了之前最遠量子轉移的記錄(亦是由該研究團隊達成:6公里),同時,也更加強調了「在量子資訊傳遞過程中,一個物質的『量子態』比起這項『物質本身的組成』來得更加重要」!

上面的論述可能會讓許多人聽的霧煞煞,如果用類比的方式或許能我們更容易了解*。如果把一個物質的量子態先當作一個人(光子)的想法(一種內部的狀態資訊,無關乎「人」的外在結構),Nicolas Gisin團隊做的事情就會變得有點像是遠距離將人的「想法資訊」轉移至25公里外的另一個生物上,而這個生物甚至可以不用是人,所以我們會說,在這種「狀態資訊」的傳遞中,重要的是那個「狀態」的內容是什麼,而非它被裝在什麼物質內。(再次強調,這裡只是一種簡單的類比,請別真的認為「想法」是對應到物質的量子態!)

實驗上,研究團隊做的事情是先準備兩個彼此糾纏(entangled)的光子(表示兩個粒子之間並非各自獨立,他們的量子態相互關聯[2]),一個儲存在晶體中(稱作A光子),另一個則透過光纖傳到25公里之外(B光子),B光子會進一步與外加的C光子進行碰撞,然後彼此毀滅;然而在碰撞過程中,研究團隊發現A光子的量子態資訊會傳到C光子身上,然後C光子的資訊會再回傳到A光子上,即便A和C從頭到尾都沒有實際接觸,他們的量子態資訊卻能夠跨越距離和物質的限制彼此溝通!

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這項實驗的關鍵便是在於A和B光子的「糾纏狀態」,讓我們再試著用一下類比的說法,A和B光子就像是科幻電影中能夠彼此溝通想法的雙胞胎,即便他們彼此都有各自的思考,卻也同時牽引著對方的想法。當B和C碰撞,B便成為一種意義上的橋樑,連接了A和C的資訊,讓各自的資訊能夠流通。

量子糾纏的理論是量子計算、量子通信的基礎,儘管這些實驗結果要應用到目前的現實生活中還有很長一段距離,Nicolas Gisin團隊仍是提供了許多支持理論的證據,同時改進了過去偵測量子糾纏彼此作用的方法,期待有一天,能讓我們看到更驚奇特別的成果!

*注意:這裡僅是希望藉類比、譬喻的方式來建立「物理意義」的思考,進而對實驗有所「感覺」,但必須謹記在心的是這些類比的事件與邏輯並不代表真正量子力學中的規則,過度仰賴類比方式理解所有量子力學的運作會是很危險的事!

延伸閱讀:

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參考資料:

  1. Quantum teleportation from a telecom-wavelength photon to a solid-state quantum memory, Nature PhotonicsDOI: 10.1038/nphoton.2014.215
  2. 量子糾纏 From wiki

資料來源:

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昱夫
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PanSci實習編輯~目前就讀台大化學所,研究電子與質子傳遞機制。微~蚊氫,在宅宅的實驗室生活中偶爾打點桌球,有時會在走廊上唱歌,最愛929。

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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