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思想實驗 EPR悖論與匪夷所思量子纏結│科學史上的今天:5/15

張瑞棋_96
・2015/05/15 ・1275字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 578 ・九年級

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1935 年,愛因斯坦在普林斯頓的辦公室內望著窗外的天空。他還是不信上帝會玩骰子。其實他也不相信有宗教裏面那種會干涉人類命運的上帝,他所指的是支配著宇宙萬物如何運轉的優雅法則。

雖然愛因斯坦自己就是量子力學的開創者之一,但是打從他的好友玻恩(Max Born)於 1926 年用機率來詮釋薛丁格的波動方程式後, 他就與量子力學漸行漸遠了。尤其第二年海森堡提出不確定性原理,主張沒有所謂的客觀實在,只有觀測所得的結果──這所謂的「哥本哈根詮釋」更完全違背他的信念,難道月亮只有當你看它的時候才存在?!

他與他們的精神領袖波耳多次辯論,但波耳總是能成功擋下他每次的攻擊。將近十年過去,隨著量子力學日漸堅實,越來越多物理學家加入他們的陣營,但他仍堅守立場,而今他終於找出不確定性原理的漏洞了!

1935 年的今天,愛因斯坦與波多斯基(Boris Podolsky)、羅森(Nathan Rosen)三人共同發表一篇論文〈物理實在的量子力學描述能被視為完備的嗎?〉。這個後來以他們三人姓氏開頭字母簡稱的「EPR悖論」設想了一個思想實驗:

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A、B 兩個粒子交互作用後彼此遠離。

雖然不確定性原理指出:位置越精確則動量越不確定,反之亦然。但我們可以只測量 A 粒子的動量,而根據守恆定律推算出 B 粒子的動量;同時我們只測量 B 粒子的位置,也可得知 A 粒子的位置。如此一來,我們就可以同時知道兩個粒子的動量與位置,但量子力學卻無法同時表述出這兩個物理量的值,可見它並不完備。

薛丁格讀了這篇論文後,深表同意,並用「量子纏結」這個名詞稱呼這兩個產生交互作用的粒子,指出其荒謬之處:若按照哥本哈根詮釋,測量A粒子才讓它從各種可能性的「疊加態」崩陷為某一特定狀態;而在此瞬間,B粒子也會從疊加態崩陷為與A互補的狀態。假設我們等這兩個粒子相距甚遠才測量,那麼測量仍在地球的 A 粒子竟會瞬間影響已經遠在冥王星的 B 粒子,豈非違反了狹義相對論已經證明的「光速是無法超越的極限」?!愛因斯坦聞之也附和嘲笑這根本是「鬼魅的超距作用」

然而量子世界中似乎真的存在超距作用。愛因斯坦過世十年後,愛爾蘭物理學家貝爾(John S. Bell)於 1964 年提出檢驗量子纏結是否存在的實驗方法。等到一九八○年代技術成熟以後,許多實驗的統計結果都違反了「貝爾不等式」,代表量子纏結的確成立。

愛因斯坦為了駁斥不確定性原理而提出 EPR 悖論,沒想到反而開啟一連串研究,證實了更匪夷所思的量子纏結現象。或許正如波耳所說的:

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「如果你沒對量子力學深感震驚的話,表示你還沒瞭解它。」

 

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張瑞棋_96
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1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。

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一句話形容「量子糾纏」:難以理解也無法預測的雙人舞——《阿宅聯盟:量子危機》
未來親子學習平台
・2023/01/18 ・1094字 ・閱讀時間約 2 分鐘

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有時候,兩個以上的量子粒子,可能因為某些原因而產生關連,使得彼此的行為互相影響——這種特殊的關係,稱為「量子糾纏」,或稱「量子纏結」

不妨想像一下:一對跳雙人舞的舞者,正隨著音樂舞動。雖然兩人都有各自的動作,但彼此的動作都與對方有對應關係,也就是當其中一人做某動作,另一人就會做某配合動作;若要針對這場演出打分數,我們必須把兩人的動作與搭配都考慮進來,因為單看一人的表現,並無法詮釋整場表演——這個情形,就非常類似量子糾纏的概念。

可以將量子糾纏想像成一對跳雙人舞的舞者。圖/GIPHY

一旦一對粒子形成量子糾纏的狀態,它們就必須被視為一個整體,一起看待;單看一個粒子的行為,並無法完全描述整個系統。

無法事先得知的量子態

不過,量子糾纏跟跳雙人舞還是有一點不同:舞者跳的舞,都是事先設計好的——換句話說,雙方要怎麼跳,都是早就知道的;但量子糾纏狀態中的粒子的行為,直到我們進行觀測之前都還無法確定。

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就好像之前在量子疊加章節中所介紹過的,量子態在被觀測之前,是處於「同時存在各種可能狀態」的疊加態,只有當我們進行觀測之後,其狀態才會確定;而每一種可能狀態,都有各自的出現機率,我們無法事先得知最後會看到哪一種狀態。

就像丟骰子一樣,每個數字都有各自的出現機率,無法事先得知結果會是哪個。圖/Envato Elements

這就像我們在手遊中抽卡,無法知道究竟會抽到最稀有的 SSR 卡、超稀有的 SR 卡,還是最常見的 N 卡,只能由機率來決定。

驚人的是,當我們藉由觀測,使得其中一個粒子轉變成確定狀態時,另一個粒子就算隔得再遠,

只要糾纏狀態還在,它們的行為就仍會有所連動,也就是說,第二個粒子會因為我們對第一個粒子的觀測,而瞬間呈現與第一個粒子對應的確定狀態。

到底,處於量子糾纏狀態的粒子,彼此之間是怎麼知道對方的情況呢?直到現在,科學家都還沒辦法揭開量子糾纏的神秘面紗。

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——本文摘自《阿宅聯盟:量子危機》,2022 年 11 月,未來出版,未經同意請勿轉載

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超乎想像的運算力:量子電腦時代來臨,幾件你需要知道的事
科技大觀園_96
・2021/08/14 ・4039字 ・閱讀時間約 8 分鐘

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臺灣大學 IBM 量子電腦中心主任張慶瑞表示,IBM 希望 15 年內讓量子位元數突破千萬,屆時傳統電腦耗費「萬年」才能計算的線性代數難題,量子電腦在數分鐘就可迎刃而解,因此現在密碼學的系統必須調整,立即進入「抗量子」時代。

為什麼「量子電腦」像隻巨獸般無所不能呢?難道它是「超級電腦」的加強版,由更多的位元組成嗎?不是的,傳統電腦和量子電腦是兩種截然不同的資料處理形式。

IBM量子電腦的內部構造,上面的一根根的都是同軸電線。(圖/flickr IBM Q,https://www.flickr.com/photos/ibm_research_zurich/32390815144/in/album-72157663611181258/)
IBM量子電腦的內部構造,上面的一根根的都是同軸電線。(圖/flickr IBM Q,) 

神秘的量子行為,連愛因斯坦都無法接受 

傳統電腦以位元(bit)的形式處理資料,每一個位元會在兩種狀態中切換, 這兩種狀態被標為 0 和 1;量子電腦則用量子位元(qubit)來做, 它可以 0、1 的線性組合的疊加態。 

量子位元在疊加態(superposition)時,張慶瑞主任表示,假如把位元的位置以球體標示,南、北極位置分別代表 0 和 1,傳統電腦的位元只能在兩極之間切換,但若是量子位元疊加時,它能在二維球面上任何位置,不限於南北極。 

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傳統電腦與量子電腦的位元差別。(圖/沈佩泠繪)
傳統電腦與量子電腦的位元差別。(圖/沈佩泠繪) 

量子電腦的具體表現,可以用「翻硬幣」的量子博弈遊戲來想像,一個黑盒子中有一枚硬幣,你跟電腦輪流去黑盒子裡翻硬幣,你可以選擇翻或不翻,你和電腦都不會知道彼此對硬幣做了什麼,數輪下來,打開盒子如果是人頭朝上就是你勝,反之就是電腦勝。

張慶瑞表示,如果是古典博弈,你跟古典電腦的勝率各是一半一半,因為古典行為只有翻或是不翻,位元只能以 0、1 兩種方式呈現;但量子電腦不一樣,它在黑盒子裡可能不直接翻成正或反面,而可能是將硬幣「轉動」起來,而這個量子轉動,不懂量子策略的人無法察覺。最後,只要你一開蓋觀測,硬幣就會變成反面朝上,量子電腦勝率達百分之百。

這聽起來非常不可思議,對吧!連愛因斯坦也難以接受量子力學,他曾說:「是不是只有當你在看它的時候,月亮才在那裡呢?」這個奇怪問題點出「量子行為過程無法被觀測」的神秘性質。沒有人知道在黑盒子裡,量子電腦到底對硬幣做了什麼事情,量子具體處在什麼位置,只要我們一觀測,量子疊加和糾纏等行為便會消失,量子就恢復古典粒子行為。

「要了解這個現象,恐怕要讀個十幾年物理學了。但現在量子電腦都被製造出來,你不如就接受它、用它吧!」張慶瑞笑著說。 

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臺大IBM量子電腦中心主任張慶瑞曾至IBM參訪與量子電腦合照。(圖/張慶瑞提供)
臺大 IBM 量子電腦中心主任張慶瑞曾至 IBM 參訪與量子電腦合照。(圖/張慶瑞提供) 

量子糾纏 帶來雙指數成長的計算能力

量子的神秘力量不只如此,當粒子處於量子狀態時會有糾纏的特性,又稱為「量子糾纏」(quantum entanglement)。如同字面上的意思,「糾纏」指的是數個量子綁在一起成為命運共同體,張慶瑞提到,這就是「你泥中有我,我泥中有你」,彼此的狀態會連動,力量還能夠加乘,同時處理不同於古典電腦的計算。

大家都聽過「摩爾定律」(Moore’s law),指的是積體電路上容納的電晶體數量,每隔兩年便會增長一倍,大致說明電腦運算能力會呈指數型的成長,即 2¹ 、2²、2³ 。不過,張慶瑞表示,纏繞特性會讓量子電腦的計算能力以「雙指數成長」,即 2、2、2,這是今年Google量子人工智慧實驗室主任 Hartmut Neven 所提出的,又稱為 “Neven Law” [註1]

去年世界最快超級電腦 Summit 每秒能夠執行 20 億億次(2*1018)的浮點運算,它的非揮發性記憶體(NVRAM)達 800GB(gigabyte,10億位元組) [註2]。但張慶瑞提到,如果能控制量子彼此糾纏,並經過運算的除錯程序,量子電腦就能以 40 個左右邏輯量子位元,達成「兆」位元(1012)才有的運算能力,目前一般認為一個有除錯功能的邏輯量子位元,可能需要一千到一萬左右的物理量子位元組成。

「這很難做到!」張慶端表示,目前 IBM 開放 5 個量子位元供大眾使用,只有兩位元糾纏而已,臺大與 IBM 合作可使用 20 個量子位元,也沒有全部位元糾纏。今年十月 IBM 53 個量子位元的新機器即將上線,預計有 16 個量子位元可以直接糾纏 [註3] 。 

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圖左上是IBM 20qbits系統,圖下是50qbits系統示意圖,可以發現量子位元沒有全部彼此互聯,圖右上則是量子處理器的封裝照。(圖/flickr IBM Q,https://www.flickr.com/photos/ibm_research_zurich/38270974841/in/album-72157663611181258/)
圖左上是 IBM 20qbits系統,圖下是 50qbits 系統示意圖,可以發現量子位元沒有全部彼此互聯,圖右上則是量子處理器的封裝照。(圖/flickr IBM Q

 張慶端進一步解釋,量子難以糾纏是因為粒子是很難達到量子狀態,即便達到量子狀態,要長時間控制它也不容易,像 IBM 就採超導體材料製造量子位元,並以微波控制位元,但超導體必須在接近絕對零度(-273.15℃)的嚴苛環境下運作,亦有相干狀態壽命短等許多問題待克服,目前各國科學家還在尋求不同方式突破,主要當然政府也砸錢支持才會有突破。

為了維持超導體的低溫,量子電腦下方會裝設稀釋冷凍器。(圖/flickr IBM Q Credit: Graham Carlow,https://www.flickr.com/photos/ibm_research_zurich/26774588908/in/album-72157663611181258/)
為了維持超導體的低溫,量子電腦下方會裝設稀釋冷凍器。(圖/flickr IBM Q Credit: Graham Carlow) 

量子電腦的應用:量子通訊、量子金融  

目前世界上量子電腦商業運轉的進程是 IBM 量子電腦 53 位元,去年(2018)Google 發表 72 位元的量子處理器,但並未提供大眾使用。張慶瑞表示,量子電腦至少要 500 位元以上才能逐漸顯現威力,並進入量子優勢的階段。儘管量子電腦離商用還有段距離,不過現階段量子科技已在量子通訊及軟體應用上百花齊放呢! 

IBM量子電腦實驗室,電腦裝在白色的罩子中受保護。(圖/flickr IBM Q,https://www.flickr.com/photos/ibm_research_zurich/38296273694/in/album-72157663611181258/)
IBM 量子電腦實驗室,電腦裝在白色的罩子中受保護。(圖/flickr IBM Q

張慶瑞提到,糾纏的量子之間,當一方狀態改變,另一方也會跟著變,所以開發量子網路系統就能增加訊息傳遞效率,因為知道一方的內容,就能得知另外一方的訊息。再者因為量子不可測量的性質,如果以量子作為秘密鑰匙,任何嘗試取得密碼的行為,都會造成量子狀態改變,因此可確保通訊無法被竊聽。

軟體開發以及應用部分正是「臺大 IBM 量子電腦中心」主攻的部分,張慶瑞提到今年在科技部支持下與 IBM 合作成立量子電腦中心,提供臺灣學界連接進入 IBM Q 系統的服務平臺。

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目前 IBM 提供 20 個量子位元供臺灣的學術界成員使用,主要著墨的部分有兩類,一是處理基礎物理和化學的計算問題;二則是解決特定問題,尋找最佳解,例如:貨車要跑 100 個地點配送貨品,如何配送最有效率;工廠進出貨如何管理最有效率,金融最佳投資與風險控管等。

「現今 70% 量子電腦相關的新創公司,都只針對一個特定問題來研究與發展量子電腦解決方案。」張慶瑞表示,量子電腦最適合解複雜和大數據的難題,量子人工智慧、量子金融與區塊鏈都是很熱門的題目,

根據 IBM 報告估計,他們期待在 15 年後能進入千萬量子位元時代,也就是有超過 1000 個除錯的邏輯量子位元。屆時不用量子電腦就會喪失競爭力,因此即便現在硬體還不到位,新創公司也要搶奪先機、申請專利。

「我現在常跟大學生開玩笑說,你們及你們的下一代,應該無法脫離量子電腦了!五十歲以上可以不學,但是 20 歲以下必須要立刻開始。」張慶瑞坦言,這兩年大家才驚覺量子電腦的時代即將來臨,但大多並不重視,就如同 1968 年個人電腦剛出現一樣,當時並不知道現在會有人手多機的世界。

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IBM 5位元的量子晶片(圖/flickr IBMQ,https://www.flickr.com/photos/ibm_research_zurich/26093923343/in/album-72157663611181258/  )。
IBM 5 位元的量子晶片(圖/flickr IBMQ )。 

在家就能用量子電腦了!跟上前沿科技的第一步 ,從學寫量子電腦程式開始

IBM 在 2016 年就推出 IBM Q5 五位元量子電腦,供大眾在線上體驗量子電腦,在家就可以在 IBM Q Experience上註冊帳號,雲端連線使用它了!

至今全球約有 18 萬名用戶在 IBM 量子電腦上做超過1千萬量子電腦模擬計算,並發表超過 150 篇量子電腦相關文章,台灣目前則有約 50 名用戶 [註4] 。不過目前它沒有辦法像現在電腦一樣友善,有各種軟體直接幫你解答,你必須要自己寫程式告訴它:問題是什麼及如何解決問題。

不過,學習量子電腦的程式語言並不會太難,所以全球目前有許多聰明的高中生也在使用。張慶瑞表示,只是你要懂一點物理與數學,又有 Python 的程式語言基礎,把一些量子概念像是 Hadamard gate(H gate)等概念加入程式中,努力就可以學會。

臺大 IBM 量子電腦中心不定期開設量子電腦的入門課程,臺大校內也有選修課,每個月巡迴到臺灣各大學舉辦量子電腦課程。目前正預備辦理高中老師的培訓,希望也能在高中推廣量子計算的應用,培育未來的人才。九月底科技部也與量子電腦中心合辦「 量子電腦導航」,內容包括:量子電腦與其計算原理、量子程式教學、量子邏輯閘初用,大家可以至臺大 IBM 量子電腦中心查詢相關活動。

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如果覺得學寫程式太可怕,不妨就下載 IBM 推出的 “Hello Quantum” 的手機遊戲吧!用破關解題的方式,逐步認識量子電腦的運算規則。破關征服它後,說不定你會愛上它。 

臺大IBM量子電腦中心(圖/臺大IBM量子電腦中心提供)
臺大 IBM 量子電腦中心(圖/臺大 IBM 量子電腦中心提供) 
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科技大觀園_96
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為妥善保存多年來此類科普活動產出的成果,並使一般大眾能透過網際網路分享科普資源,科技部於2007年完成「科技大觀園」科普網站的建置,並於2008年1月正式上線營運。 「科技大觀園」網站為一數位整合平台,累積了大量的科普影音、科技新知、科普文章、科普演講及各類科普活動訊息,期使科學能扎根於每個人的生活與文化中。

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照出黑洞不算什麼,科學家連量子纏結都能拍到!?
linjunJR_96
・2020/02/26 ・2523字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 535 ・七年級

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  • 文/林祉均 就讀清大物理系的斜槓理工男,喜歡學習與嘗試新事物。目前對科學和翻譯有點上癮,看到 Netflix 上奇怪的字幕翻譯會皺眉頭。

除了數百萬光年外的遙遠黑洞,現在就連最微小、最難以捉摸的量子現象,也透過成像技術呈現在我們眼前。不過要了解這張照片,得先從量子物理糾纏不清的歷史開始說起。

你看過量子纏結的照片嗎?如果沒看過,現在讓你看看。圖/Moreau et al, 2019

「你們只是把所有東西名字前面加個『量子』吧?」儘管嘴上這麼吐槽,蟻人在穿梭量子領域時和初代黃蜂女所產生的量子纏結,後來依舊成為劇情的重要推手。

量子纏結描述的正是像蟻人一樣的微小粒子。這些由特定方式成對產生的粒子,兩兩之間具有某種「連結」。

一般在量子系統中進行測量時,粒子的測量值會依據特定的機率來決定,也就是說,測量結果是「隨機」的。但是兩顆纏結的粒子,不論相距多遠,被測量時都會表現出一致(或是相反)的行為。

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可以把它們想像成兩顆不斷滾動的骰子,當我們想要壓住其中一顆觀察上面的點數,另一顆的點數也會在那瞬間被決定。如此看來,纏結粒子似乎能夠突破相對論的限制,進行超光速的資訊交換。

量子纏結?那鬼魅一般的遠距效應

然而,老一輩的物理學家對這種觀點十分不能接受。愛因斯坦便曾稱呼量子纏結為「鬼魅一般的遠距效應(spooky action at a distance)」,顯示有部分人認為量子纏結的說法聽起來簡直就像星座運勢和心電感應一樣,不該見容於物理科學的基礎架構。

愛因斯坦:我不信這套!(設計對白)圖/giphy

於是,局域隱變數理論 (local hidden-variable theory) 吹起了反攻的號角。這個理論設想:每顆纏結的粒子在成對生成時,便各自攜帶兩份相同的指南,告訴它們被測量時該給出哪種結果。人類目前還沒探知這本「指南」的物理本體,因此被稱為「隱變數」。

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儘管乍聽之下有些彆腳,但這個理論確實避開了超光速的難題──一切都是事先決定好的,沒有機率的成分,也不需要傳遞訊息。你很難反對這種說法,因為這種隱藏起來的變數似乎很難用實驗去確認。

哪種理論才正確?用貝爾實驗見真章

兩種理論之間微妙的區別,需要高明的手段來驗明正身。

約翰‧貝爾相信隱變數理論是正確的,因此構思了一個巧妙的實驗:如果纏結粒子真的遵守隱變數理論的隱形指南,那麼他的實驗結果應該會符合貝爾不等式;反之則是量子力學獲勝

貝爾實驗有點複雜,但其中原理可說是相當聰明,可以參考以下這部影片

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人們往後實際進行他的實驗,利用各種方法在不同地點重複了無數次。幾乎所有實驗結果都違反他的不等式,這應該是貝爾本人沒有料到的,局域性隱變數理論也因此不再被重視。

貝爾本人惋惜地表示:「我曾經以為是其他人不願面對事實,不過歷史已經還他們一個公道了。我好希望愛因斯坦是對的。但有時候很合理的說法終究是錯的。」

(p.84,  Bernstein, Jeremy (1991). Quantum Profiles

圖(一)、貝爾實驗的理論預測。紅色線代表古典的隱變數理論,藍色則是量子力學的預測。圖/Moreau et al, 2019

貝爾實驗已經被多次驗證,而量子纏結現象也早已走入實際應用,像是量子電腦和量子加密技術。不過,一直到 2019 年 7 月,研究人員才首次捕捉到量子纏結的面貌。所以,它究竟長什麼樣子?

所以說,量子纏結到底長什麼樣?

像是黑洞這類的天文奇觀,儘管十分遙遠,畢竟還是個實際的物體。「量子纏結」卻是抽象物理現象。該怎麼拍攝這種東西呢?

如果要拍攝的是「重力加速度」,你可以去拍攝一顆掉落的蘋果。蘋果的位置隨時間的變化會遵守某種數學關係,呈現某種模式或圖案(在這個例子中是一個二次曲線。)只要找出模式,你就可以告訴新聞媒體:「我不是在拍蘋果。我拍到了重力加速度!」

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有了這個觀念,讓我們來看看量子纏結的「照片」:

圖(二)對,這就是「量子纏結的照片」,也是實驗結果照。圖/Moreau et al, 2019

……看不懂沒關係。雖然這不是蘋果,但其實不難懂。

上圖所呈現的其實是貝爾實驗的原始結果,白點代表著影像技術所記錄的「事件數」。我們選用最左邊的圖,幫它加上顏色,並沿著圓心攤開(如紅色框線所示),變成右下角的長條。將事件數繪製成數據點之後,便出現了非常類似圖(一)的曲線!

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圖(三)實驗結果分析。by Moreau et al, 2019

在這裡必須說明,圖(三)中的曲線和圖(一)並不完全一樣。它們之間還相差幾個物理和數學上的步驟,不過概念上是相同的。

這次的實驗是由格拉斯哥大學的團隊所完成,並刊登在《Science Advances》上。他們利用新穎的材料和極為敏感的成像技術,成功捕捉了貝爾不等式被打破的圖案。

「我們捕捉到的前所未見的影像,巧妙的展示了宇宙最根本的性質,」研究論文的第一作者,Dr. Paul-Antoine Moreau 這麼說:「這個技術帶來了讓人振奮的結果,未來可以被應用在發展中的量子計算領域,或是帶來全新的成像技術。」

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參考資料:

linjunJR_96
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清大理工男。不喜歡算數學。喜歡電影、龐克、和翻譯小說。不知道該把科普當興趣還是專長,但總之先做再說。