Loading [MathJax]/extensions/tex2jax.js

0

2
1

文字

分享

0
2
1

量子電腦快要問世了?!量子電腦計劃大揭密——《物理雙月刊》

物理雙月刊_96
・2017/07/26 ・2555字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 538 ・八年級

譯者/林中一|國立中興大學物理系教授

第一批的量子電腦已經快要問世了。在紐奧良召開的 2017 美國物理學會三月大會的第一天一大早,來自谷歌 (Google)、微軟(Microsoft)、和哈佛大學的研究者們就在一個擁擠的房間裡,向擠在裡面的物理學者們討論他們最近在量子電腦方面的成果以及他們對這個還不太成熟的技術的近程計畫。

來自谷歌的量子電腦主教級大師約翰.馬丁尼斯(John Martinis)提出了他們公司的「延伸目標」是在今年底建造及測試一台 49- 量子位元(qubit)的量子電腦。這個電腦所使用的的量子位元是由超導線路製作。每一個量子位元將被定在一個二元狀態系統的某一個精確的量子態。這次的測試將成為量子電腦技術的里程碑。接續在馬丁尼斯之後,也是來自谷歌的舍吉歐.布埃索(Sergio Boixo)接著說明,他說一個大約 50 個量子位元的量子電腦就可以在執行某些困難任務的速度上超過最快的古典電腦。

學者們說,在像解決質因數分解或者精確模擬有機分子這一類計算超繁瑣的問題時,量子電腦保證在速度上會有指數的增長。這是因為「量子糾纏」:如果你預備了相互糾纏的量子位元,那麼你就可以同時操作好幾個狀態。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
一個 0.6 公分乘 0.6 公分大小、被稱為「transmon」的量子位元原型,是谷歌在 2014 年運用超導線路做出來的,而谷歌將會使用 49 個更新版的這一型的量子位元來執行即將進行的量子電腦測試。圖/Michael Fang

為了顯示他們的 49- 量子位元電腦真的有用,馬丁尼斯的團隊會將這些量子位元植入一個晶片,先精確的定好量子位元的初始量子態,然後透過外加的電位來控制量子位元的狀態演進。最後,他們會將測量到的量子位元狀態和一個針對該實驗所做的理論模擬結果相比較(這個理論模擬的計算是使用一個古典的超級電腦來做的)。如果兩者相符,那就表示研究團隊的確能夠操控量子位元的量子態演化,也就表示他們可以進行量子計算!

這個示範並不對應於任何有用的計算工作,他只是要表現他們能夠確實掌控他們的的量子位元。「由於這個實驗牽涉到的是隨機演算法,所以那個演算法不會有什麼實際的用處,」馬丁尼斯說:「但是我們仍然可以將輸出的實驗結果和電腦模擬的結果做非常精確的比對,而確定實驗和理論是彼此吻合的。」

面對年底即將來臨的挑戰,雖然他們終究必須搞清楚所有的細節,但是馬丁尼斯他們對於設計那個49- 量子位元的電腦已經有了大的圖像。由於研究團隊已經成功的建造而且測試過了 9- 量子位元版的量子電腦,馬丁尼斯說:「我們事實上對於這個任務大大小小的部分,感覺都還頗為自在。」

在製作 49- 量子位元版的電腦之前,團隊會先將系統擴充至 20 或 30- 量子位元。將一座量子電腦容量加大一倍有點像從已經掌握的單核電腦技術去製作一台雙核的電腦。馬丁尼斯說:「你當然必須顧慮到會出現有些交互作用,但是你一旦知道怎麼去做一個,那麼去做兩個之後再把他們兜在一起就不是太難的事了。」

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

除了量子電腦牽涉到新的問題,那些所有實驗都會遇到的麻煩在這個工作裡也都會碰到。「我們有 120 條線路要接到我們量子位元所在的那個晶片,而且他們全部都不能出錯,」馬丁尼斯說道:「當然,差錯大概很難免,而某些個硬體也可能會失靈。」除此之外,控制雜訊也是一大挑戰:越多個量子位元等同於更大犯錯的空間。

圖/By Anemone123 @ Pixabay

即使有了 49 個量子位元,這一台量子電腦仍然離廣泛的使用有相當距離。要製造一台能取代你研究室所用電腦的「通用的」量子電腦,馬丁尼斯說道:「你需要百萬個量子位元!」

除此之外,當量子位元的製備或控制如果出現甚麼瑕疵的時候,一台通用的量子電腦需要能夠從中自行除錯。但是除錯的機制不是簡單直接的。古典電腦的除錯方法需要複製數據,然而依據基本的「不可克隆定理」,量子態是無法複製的。有學者提出過量子除錯的演算法,但古歌電腦還將不會使用那些演算法。

即便如此,學者們認為這種 49- 量子位元尺度的量子電腦仍然可以執行一些特定的任務,特別是化學方面的問題。哈佛大學的艾倫.亞斯普魯-辜吉克教授(Alán Aspuru-Guzik)就提到使用量子電腦來設計新材料的分子。舉例來說,他就想要來模擬製作太陽電池的有機光伏材料。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

目前,古典電腦只能近似的來模擬分子的量子特性,但是量子電腦基於其內在的量子性使得量子電腦能夠對這些特性做精確的模擬。亞斯普魯-辜吉克教授就花了好多年在思考如何將這些化學模擬的方法轉換為量子電腦能夠讀而且操作的形式。

與會的演講者們也提出了執行近程計畫的流程。微軟的克萊斯塔.司福耳(Krysta Svore)講到了甚麼樣的量子軟體架構能夠容易的撰寫及編譯電腦程式。亞斯普魯-辜吉克教授討論了一種模擬模型系統的演算法,這種演算法結合了量子電腦與古典電腦的使用,他說:「你需要安排這些電腦各司其職,讓他們做他們最擅長的事。」

在其他的議程裡,研究者們呈現了多種量子位元的實驗進展-不只是超導體類的,更有半導體類的,例如矽量子點量子位元。瑞吉提計算公司(Rigetti Computing)的研究者提出了一種方法,能夠大尺度的將超導量子位元置入晶片上的積體電路。一個加拿大滑鐵盧大學(University of Waterloo)馬提耳.馬力安多尼教授(Matteo Mariantoni)所領導的團隊發表了一種避免量子位元出錯的方法:用銦元素覆蓋住鋁超導線路就能將量子位元屏蔽起來

但是這些屏蔽效應卻反映了一個量子位元操控上的基本挑戰。如果想要持續保留資訊,一個量子電腦裡的一個量子位元必須要能長時間的維持在其量子態。「最佳作法就是將那個量子位元與外界隔絕開來,」馬丁尼斯說道:「但是這樣子會使得量子位元之間無法互動來執行計算。」

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

在上個月的「自然」雜誌 (Nature)刊出的文章裡,谷歌團隊就預測了大約再過 5 年的時間,工業界將能夠讓小型且用在特殊用途的量子電腦商業化。馬丁尼斯說道:「如果我們能做出一些有用而且商業上是可行的東西,那麼就會有資金投入來建立而且擴展這個工業。」

原始出處


 

 

 

 

本文摘自《物理雙月刊》39 卷 6 月號 ,更多文章請見物理雙月刊網站

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
文章難易度
物理雙月刊_96
54 篇文章 ・ 15 位粉絲
《物理雙月刊》為中華民國物理學會旗下之免費物理科普電子雜誌。透過國內物理各領域專家、學者的筆,為我們的讀者帶來許多有趣、重要以及貼近生活的物理知識,並帶領讀者一探這些物理知識的來龍去脈。透過文字、圖片、影片的呈現帶領讀者走進物理的世界,探尋物理之美。《物理雙月刊》努力的首要目標為吸引台灣群眾的閱讀興趣,進而邁向國際化,成為華人世界中重要的物理科普雜誌。

0

1
0

文字

分享

0
1
0
ECU: 汽車大腦的演化與挑戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/02 ・3793字 ・閱讀時間約 7 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

本文與 威力暘電子 合作,泛科學企劃執行。

想像一下,當你每天啟動汽車時,啟動的不再只是一台車,而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機,後果會有多嚴重?方向盤可能瞬間失靈,安全氣囊無法啟動,整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情,而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天,我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟,汽車的「大腦」—電子控制單元(ECU),是如何從單一功能,暴增至上百個獨立系統?而全球頂尖的工程師們,又為何正傾盡全力,試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化?

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代,當時的汽車工程師們面臨一項重要任務:如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力?「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現,關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間:火星塞的點火時機,也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內,這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一!引擎效率就能提升整整一成!這不僅意味著車子開起來更順暢,還能直接省下一成的油耗。那麼,要如何跨過這道門檻?答案就是:「電腦」的加入!

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

工程師們引入了「微控制器」(Microcontroller),你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法,在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內,精準計算出最佳的點火角度,並立刻執行。

從此,引擎的性能表現大躍進,油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元(ECU)的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)。

汽車電子控制單元的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)/ 圖片來源:shutterstock

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功,在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像:「這 ECU 這麼好用,其他地方是不是也能用?」於是,ECU 的應用範圍不再僅限於點火,燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車,甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而,問題來了:這麼多「小電腦」,它們之間該如何有效溝通?

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

為了解決這個問題,1986 年,德國的博世(Bosch)公司推出了一項劃時代的發明:控制器區域網路(CAN Bus)。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上,就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是,CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如,煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息,絕對能搶先通過,避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題,但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線,並連接各種感測器和致動器。結果就是,一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里,總重量更高達 50 到 60 公斤,等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面,大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束,簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障,無疑讓人一個頭兩個大。

大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。/圖片來源:shutterstock

汽車電子革命:從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代,汽車電子架構迎來一場大改革,「分區架構(Zonal Architecture)」搭配「中央高效能運算(HPC)」逐漸成為主流。簡單來說,這就像在車內建立「地方政府+中央政府」的管理系統。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

可以想像,整輛車被劃分為幾個大型區域,像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙,就像數個「大都會」。每個區域控制單元(ZCU)就像「市政府」,負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合,並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理,就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台(HPC)擔任,統籌負責更複雜的運算任務,例如先進駕駛輔助系統(ADAS)所需的環境感知、物體辨識,或是車載娛樂系統、導航功能,甚至是未來自動駕駛的決策,通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中, 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子,便精準地切入了這個趨勢,致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢,威力暘提供的解決方案,就像是將好幾個「分區管理員」的職責,甚至一部分「超級大腦」的功能,都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力,可同時支援 ADAS 與車載娛樂,還能兼容多種通訊協定,大幅簡化車內網路架構。如此一來,車廠在追求輕量化和高效率的同時,也能顧及穩定性與安全性。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
2008 年威力暘電子致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台 /圖片來源:shutterstock

萬無一失的「汽車大腦」:威力暘的四大策略

然而,「做出來」與「做好」之間,還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯?具體來說,威力暘電子憑藉以下四大策略,築起其產品的可靠性與安全性:

  1. AUTOSAR : 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層(RTE)和基礎軟體層(BSW)。就像在玩「樂高積木」,ECU 開發者能靈活組合模組,專注在核心功能開發,從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
  2. V-Model 開發流程:這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般,左側從上而下逐步執行,右側則由下而上層層檢驗,確保每個階段的安全要求都確實落實。
  3. 基於模型的設計 MBD(Model-Based Design) 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具,把整個 ECU 要控制的系統(如煞車),用數學模型搭建起來,然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前,就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷,,並驗證安全機制是否有效。
  4. Automotive SPICE (ASPICE) : ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」,它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性,而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」,也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化,並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作,其能否正常運作,自然被視為最優先項目。為此,威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準:ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統(特別是 ECU)的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」,從概念、設計、測試到生產和報廢,都詳細規範了每個安全要求和驗證方法,唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略,威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準,才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而,ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡,「大腦」變得更集中、更強大後,汽車產業又迎來了新一波革命:「軟體定義汽車」(Software-Defined Vehicle, SDV)。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

軟體定義汽車 SDV:你的愛車也能「升級」!

未來的汽車,會越來越像你手中的智慧型手機。過去,車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」,想升級?多半只能換車。但在軟體定義汽車(SDV)時代,汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」,能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA(Over-the-Air)技術,車廠能像推送 App 更新一樣,遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過,這種美好願景也將帶來全新的挑戰:資安風險。當汽車連上網路,就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭,輕則個資外洩,重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV,業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略,確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程,到安全認證,這些努力,讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新,也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力,威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota,以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈,更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴,以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈,並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產,驗證其流程與品質。

毫無疑問,未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷,交由電腦判斷,比交由人類駕駛還要安全的那一天,離我們不遠了。而人類的角色,將從操作者轉為監督者,負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全,人類甘願當一個「最弱兵器」,其實也不錯!

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
-----廣告,請繼續往下閱讀-----
文章難易度

討論功能關閉中。

0

1
0

文字

分享

0
1
0
從 MiniLED 到 QLED:量子點技術如何改寫螢幕的未來?
PanSci_96
・2024/11/17 ・2235字 ・閱讀時間約 4 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

量子點:從顯示技術到量子計算的革命

顯示面板的技術一直在進步,從最早的液晶顯示(LCD),到日益火熱的 MiniLED,再到正在被熱烈研發中的 MicroLED。隨著像素越來越小,螢幕畫質的進步讓人驚嘆不已。然而,現在有一項技術,它並非透過縮小像素來提升畫質,而是以更純淨的顏色帶來視覺上的革命—那就是「量子點技術」(Quantum Dot)。

量子點技術不僅為我們的螢幕帶來更好的顏色,甚至還有可能在量子電腦的未來發展中扮演重要角色。究竟這些小到幾奈米的半導體晶體是如何改變我們的世界?

歡迎訂閱 Pansci Youtube 頻道 獲取更多深入淺出的科學知識!

什麼是量子點?

量子點是一種半導體奈米晶體,其直徑僅為幾奈米大小,也就是僅包含數百到數萬個原子。在這麼小的尺寸下,量子力學的奇妙特性開始影響顆粒的物理性質。這些量子點能夠吸收特定波長的光,並根據自身大小發射出頻寬極窄的單色光。這也意味著,透過控制量子點的大小,我們可以精確地調整它所發出的顏色。

這項技術在顯示領域中得到了應用,稱為量子點顯示技術(QLED)。QLED 螢幕通常使用藍光 LED 作為背光源,再經由塗有量子點的薄膜來產生鮮艷的紅光和綠光,以此混合出更飽和的色彩,並提供更廣的色域。此外,由於減少了傳統彩色濾光片的使用,QLED 螢幕也更為省電且光效更高。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

MiniLED 與 MicroLED 的比較

要了解量子點技術的優勢,我們首先需要認識當前的顯示技術:MiniLED 與 MicroLED。

MiniLED 雖然名字聽起來和 MicroLED 相似,但它們的工作原理和應用有所不同。MiniLED 屬於有背光結構的面板,主要用於電腦和電視螢幕市場。它的顯色能力優秀,且通過調整背光區域的亮度,可以產生高對比度的畫面,甚至能呈現比傳統 LCD 更黑的黑色。

相比之下,MicroLED 則是無背光的技術,利用紅、綠、藍三種顏色的小燈泡直接發光,這些燈泡小到可以嵌入每個像素中。因此,MicroLED 的螢幕結構更薄,並能減少顏色劣化問題。然而,由於技術難度高,MicroLED 目前仍處於開發階段。

量子點的顯色技術有多特別?

傳統的顯示技術中,無論是 LCD、MiniLED 還是 OLED,它們的色彩顯示都需要依賴彩色濾光片來混合光源。而量子點技術則不然。量子點可以根據顆粒的大小發射出精確且純淨的單色光,其顏色純度遠超傳統濾光片。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

量子點的神奇之處在於,同一種材料可以隨著顆粒尺寸的變化而發射出不同的顏色。這意味著我們只需要製造出不同大小的量子點,就可以得到紅、綠、藍三原色的高純度光源,進而混合出更加鮮豔的色彩。這種「大小決定顏色」的現象,正是量子力學中能階與顆粒大小之間微妙關係的體現。

量子點技術憑顆粒大小精準發光,色彩純度遠勝傳統濾光片。圖/envato

量子力學與量子點的關聯

量子點的顏色之所以能隨顆粒大小改變,是因為量子點內部的電子受到能階的限制。在半導體材料中,電子的能量可以分佈在幾個不同的能階上,當電子從高能階回到低能階時,會以光的形式釋放出多餘的能量。而量子點的尺寸越小,電子能佔據的能階也越少,因此當電子釋放能量時,會放出更高能量的光子,這也導致了更短波長的光,比如藍光。

諾貝爾化學獎與量子點的製備技術

早在幾千年前,工匠們就已經能透過加入不同的金屬粉末來製作出不同顏色的玻璃,但他們並不知道背後的原理。直到 1980 年代,科學家們才發現,這些顏色變化與量子效應有關。2023 年的諾貝爾化學獎,正是授予了對量子點研究做出重要貢獻的三位科學家(分別為巴汶帝 ( Moungi G. Bawendi )、布魯斯 ( Louis E. Brus ) 和艾吉莫夫 ( Alexei I. Ekimov )),他們開發的技術讓量子點的製造變得更加容易且精確。

其中,蒙吉·巴文迪(Moungi Bawendi)開發的製程可以在溶液中精確控制量子點的大小,這使得量子點的性質與應用變得更加穩定且可預測,從而加速了量子點在顯示技術和其他領域的商業化應用。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

量子點在量子電腦中的應用

量子點的應用並不僅限於顯示技術。由於它們能夠透過改變大小來調控各種物理特性,因此又被稱為「人工原子」。這使得量子點在量子電腦中也有巨大的潛力,特別是在儲存與處理量子位元資訊方面。

量子電腦與傳統電腦不同,其運算依賴量子位元,而量子位元可以同時處於多個狀態。要讓量子位元的狀態穩定且能長時間儲存,是量子電腦硬體設計的一大挑戰。量子點因其特殊的能階特性,有望成為量子電腦中儲存量子位元的理想材料。

量子點技術的未來

量子點技術的出現,不僅改變了我們對顯示面板的認知,也為量子計算領域帶來了新希望。隨著技術的進一步成熟,量子點在顯示技術之外,還有可能應用在更多的高科技領域,如光學感測、生物醫學標記等。

如果你對量子點的應用充滿好奇,不妨繼續關注相關的技術發展。也許有一天,這些微小的「人工原子」會成為推動科技變革的核心力量,為我們的生活帶來更多的驚喜和便利。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

歡迎訂閱 Pansci Youtube 頻道 鎖定每一個科學大事件!

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

討論功能關閉中。

0

2
0

文字

分享

0
2
0
愛因斯坦也困惑!量子糾纏如何顛覆距離的限制?
PanSci_96
・2024/11/05 ・1765字 ・閱讀時間約 3 分鐘

量子糾纏的生活比喻:情感的同步

想像一下,你有一位從小就非常要好的朋友,無論他做什麼,你都感同身受。他吃下午茶,你也立刻想來一份;他開心,你也情不自禁地微笑;他難過,你也跟著心情低落。你們之間的情緒達到了百分之百的同步。雖然你們身處不同的地方,但似乎有一條無形的線將你們連接在一起。

這種神奇的連結,正是量子力學中的量子糾纏(Quantum Entanglement)。在微觀的量子世界裡,兩個曾經互相影響的粒子,即使相隔萬里,依然可以保持同步的狀態。一旦其中一個粒子的狀態被測量,另一個粒子的狀態也會立即確定,這種現象挑戰了我們對於時空和因果關係的理解。

歡迎訂閱 Pansci Youtube 頻道 獲取更多深入淺出的科學知識!

角動量守恆與粒子自旋

要理解量子糾纏,我們首先需要了解角動量守恆和粒子的自旋。想像一顆靜止的砲彈,突然爆炸成兩個旋轉的碎片。根據角動量守恆定律,兩個碎片的旋轉方向必須相反,才能使總角動量保持為零。

在量子力學中,粒子的自旋類似於這種旋轉,但並非真正的物體旋轉,而是粒子固有的一種量子性質。一個自旋為零的粒子衰變成兩個帶有自旋的粒子時,兩者的自旋方向必須相反,以維持角動量的守恆。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

然而,與宏觀世界不同的是,量子粒子的自旋狀態在被測量之前,處於一種「疊加態」,也就是說,它們同時具有多種可能的狀態,直到測量發生,狀態才被「塌縮」為確定的值。

EPR悖論:量子力學的挑戰

1935 年,愛因斯坦、波多爾斯基和羅森提出了著名的 EPR 悖論。他們認為,量子力學對於自然的描述並不完備,因為它無法預測單個粒子的確切狀態。他們設想,如果兩個粒子處於糾纏狀態,測量其中一個粒子的自旋方向,另一個粒子的自旋方向就立即確定,無論兩者距離多遠。

這似乎暗示著訊息以超光速傳遞,違反了相對論。然而,他們認為,應該存在一些「隱變量」來決定粒子的狀態,而不是量子力學的機率性描述。

貝爾不等式與實驗驗證

為了檢驗 EPR 悖論,物理學家貝爾在 1964 年提出了貝爾不等式。該不等式提供了一種方法,可以通過實驗來區分量子力學的預測和隱變量理論。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

1972 年,約翰·克勞澤和他的同事首次進行了實驗驗證,結果支持量子力學的預測,違背了貝爾不等式。這意味著,量子糾纏的現象是真實存在的,粒子之間的連結不需要透過任何已知的訊息傳遞。

之後,阿蘭·阿斯佩等科學家進一步完善了實驗,消除了可能的漏洞,堅定了量子力學的立場。2022 年,克勞澤、阿斯佩和安東·塞林格因在量子糾纏領域的貢獻,共同獲得諾貝爾物理學獎。

阿蘭·阿斯佩(Alain Aspect )的實驗堅定了量子力學的發展。圖/wikimedia

「鬼魅般的超距作用」的理解

量子糾纏挑戰了傳統物理學對於因果和現實的理解。愛因斯坦稱之為「鬼魅般的超距作用」,因為它似乎違反了光速的限制。然而,現代物理學家認為,量子糾纏並不傳遞任何可用於通信的訊息,因此不違反相對論。

糾纏粒子之間的連結被視為量子系統的整體性質,而非個別粒子的屬性。當我們測量其中一個粒子時,整個系統的波函數發生了變化,導致另一個粒子的狀態也被確定。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

量子糾纏的應用與未來

量子糾纏不僅僅是理論上的奇觀,它在實際應用中也展現了巨大的潛力。安東·塞林格成功地利用量子糾纏實現了量子隱形傳態,將一個粒子的量子態傳輸到遠方的另一個粒子上。

此外,量子糾纏在量子計算和量子通信中扮演關鍵角色。量子計算機利用糾纏態進行超高速的計算,而量子通信則提供了無法被破解的加密方式,保障訊息的安全。

結語:量子世界的奇妙之旅

量子糾纏揭示了自然界深層次的連結,挑戰了我們對於現實的直覺認知。儘管我們無法在宏觀世界中直接感受到這種現象,但它真實地存在於微觀的量子世界中,影響著未來科技的發展。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

討論功能關閉中。