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25公里瞬間移動,量子資訊的長距離轉移

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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!

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:

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:

關於作者

昱夫

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。