驗證量子纏結的貝爾不等式 │ 科學史上的今天：06/28

本文轉載自顯微觀點

在古典科學觀念中，材料在物理學上的內含性質（intensive property）就如同它們的指紋，足以辨識材料成分的身分、本質，不會因材料大小、形狀而改變。但是 21 世紀的科學家卻發現，將材料剝離分解到無法更薄、僅剩 1 層原子厚的二維平面，竟會出現超導體、超流體、活躍強健的激子等奇特現象，與原本的物理性質大異其趣。

這種新興的「二維材料（2-dimensional materials）」物理不僅召喚著科學家的濃厚好奇心，也具備科技創新的潛力。要探究二維材料這些超越既有材料科學認知的神祕特性，就要從量子世界中的電子行為「能帶理論」談起。

決定材料性質的電子能帶

能帶理論（Energy Band Theory）是以高低不同的「能量帶」空間觀念，對晶體中的電子行為進行解讀：電子平時處於能量較低的價電子帶（亦稱價帶，covalence band）。此能帶的電子受到原子核束縛，不能自由運動，且許多電子塞滿其中，沒有流動空間，因此價帶中的電子不能導電。

若從外來光子獲得足夠能量，電子會躍升到傳導帶（亦稱導帶, conduction band），在此空間充沛的能帶，電子能夠自由移動，在外部電場的作用下形成電流、展現出導電性。

導帶、價帶之間的能量帶稱為「能隙（band gap）」，是電子無法停留的能帶位階，不同種類晶體的能隙大小不同，電子由價帶升往導帶的難易度因此相異。若價帶電子得到的外來能量並未超過能隙大小，就沒辦法升往導帶。

金屬晶體具有極小的能隙，某些金屬的導帶與價帶甚至重疊，因此電子可以輕易進入導帶，展現出良好導電性。而絕緣體的能隙極大，電子難以躍升到導帶，因此困在價帶，無法導電。半導體介於金屬與絕緣體之間，在適當的能量激發或能隙調整下，就能展現導電性，人類得以調控電訊號。

備受眾望的石墨烯，終究因為其沒有電子能隙、導電性過佳，難以成為實用的半導體材料。但是另一種二維材料：過渡金屬二硫族化物（Transition Metal Dichalcogenides, TMD）卻展現出了可調控的導電性，讓半導體產業界的希望之火繼續燃燒，也為物理學界展開寬闊的未知境地。

未來的超級材料：TMD

TMD二維材料的大型原子之間具有原子核、電子的相互作用，產生一般材料罕見的超導特性與巨磁阻，成為具備高潛力的半導體材料。從上方觀察，TMD如石墨烯一般形成六角形晶格平面，但從側面看，會發現上下兩層硫族原子將金屬原子夾在中央，猶如一個原子三明治。

在TMD的原子三明治菜單上，二碲化鎢（WTe₂）、二硫化鉬（MoS₂）、二硫化鎢（WS₂）、二硒化鉬（MoSe₂）、二硒化鎢（WSe₂）等，都是極具潛力的二維層狀半導體材料。

這些潛力TMD與石墨烯相似的不僅是晶格排列模式，同時它們也具有強力的層內共價鍵與薄弱的層間凡德瓦力，這種力量分配讓它們更容易剝離成單層結構。相較之下，其他材料（例如純金屬）通常具備延伸共價鍵或金屬鍵，材料塊不容易層層剝落、難以形成單層二維材料。

TMD 單層分子平面成形之後，電子能帶結構會從原本的間接能隙轉變為直接能隙，使互相吸引的導帶電子與價帶電洞（即為激子）結合時直接放出光子。在間接能隙結構中，激子結合的能量會轉換為熱能，不利於能量或訊號傳輸。單層 TMD 的直接能隙則讓它們在光照之下，可以透過電子活動而激發出螢光，成為光致發光（photoluminescene）的良好材料。

矽或鍺等等電子元件常見材料，在二維狀態下依然保持間接能隙，能量會化為熱能，不會轉換為光。因此 TMD 二維材料取代傳統材料，成為產業界創新光電材料的希望所在。

透過顯微操作，科學家更利用 TMD 的層間凡德瓦力，將不同的 TMD 二維材料疊合、錯位，形成異質結構（Heterostructures），透過材料堆疊位置調整電子能帶，產生如超導體或莫特絕緣體等特殊物理現象。就像在玩奈米尺度的樂高積木，只是成果比樂高更令人驚奇。電子在異質結構中產生的新奇行動模式，有機會應用在量子計算、奈米元件等領域。

此外，TMD 二維材料本質上比石墨烯更加特殊之處，是其中的金屬原子質量較重，導致更強的電子自旋-軌道耦合（Spin-Orbit Coupling, SOC）效應，於是 TMD 在 2 個電子能谷（Energy Valleys）中表現不同的電子特性，使科學家能夠操縱電子的「谷自由度」來進行訊號傳輸（類似1與0的二進位訊號）。

透過不同於傳統半導體的超導、絕緣、谷電子學性質，TMD 二維材料可以提供極快速、低耗能的訊號調控與傳導，在小於奈米的空間中，也能保持訊號精確。此外，由於激子的活動現象，二維材料也更有機會實現利用光子傳輸訊號的計算機元件。

在家裡研究量子物理

提及激子的研究方法，台灣大學人工低維量子材料物理實驗室（Quantum Physics of Artificial Low-dimensional Materials Lab, 又稱 QPALM 實驗室）主持人陳劭宇解釋，雖然量子力學被多數人視為難以捉摸的神秘領域，但製作二維材料的方法卻可以非常貼近日常生活。

陳劭宇說，「我們實驗室最常用來製作二維材料的工具，你一定也用過，就是有名的 Scotch Tape 法。」

Scotch Tape 法又稱機械剝離法（exfoliation）：使用膠帶黏住小塊材料，材塊對面再以膠帶黏貼，接著將兩側膠帶撕開，就會將材料一分為二。如此反覆黏撕，最後出現極為單薄的單層二維材料。這也是當年海姆（A. Geim）與諾沃蕭洛夫（S. Novoselov）將石墨塊製作成單層石墨烯、邁向 2010 年諾貝爾物理學獎的方法。陳劭宇團隊則更進一步，對各種材料塊採用不同的膠帶，以得到最佳的剝離效果。

若你在生活百貨結帳時遇見購買各式膠帶的顧客，除了封箱收納，他也可能是位準備動手研究量子物理的科學家。

得到單層材料之後，科學家透過顯微操作將其放上六方氮硼（h-BN）等基材，再加熱使膠帶與二維材料分離。材料與操作方法相當平易近人，卻可以結合顯微觀察、拉曼光譜等方法從中測得奇妙的量子物理現象。

陳劭宇回憶道，「這是可以自己『在家動手做』的物理研究，在 COVID-19 疫情嚴峻隔離的時候，我們輪班工作、不能持續待在實驗室。只好自己組裝一台顯微鏡，用不同的光線觀察二維材料，竟因此發現某些材料在特定顏色光照射下，才有辦法清晰觀測。」

這個發現雖然尚未發表，但也成為他的實驗秘技之一。而當時「在家動手做量子物理」的研究過程也錄製成影片，作為疫情期間透過網路推廣科學的素材。

在二維材料研究中，材料層數是最重要的數字，而光學顯微鏡就在材料層被剝離後，擔任檢驗的工具。陳劭宇說，不同的材料有各自適合的顯微觀察方式，從常見的穿透光、反射到微分干涉（DIC）顯微術都是他會採用的方法。

確認材料層數之後，便能以光、電與材料互動，或是疊合異質材料，並以顯微鏡或拉曼光譜儀觀測，針對觀測結果進行運算，實驗人員可以得知二維材料的激子束縛能、能量轉換、導電性等物理特質。

例如，因為二維材料的層間空間極小，因此受到激發的電子可能移動到相鄰的異質材料層，而其相應的電洞還停留在原本材料層，電子與電洞在不同材料層互相吸引，形成奇妙的跨層激子（interlayer excitons），產生新穎的電學、光學、磁學現象。

陳邵宇舉例，暗激子的超流體狀態就是其中一種神奇現象。他說，「超導體的節能來自於傳輸電荷時不耗能，而超流體則是粒子移動時不耗能。若能控制超流體狀態的激子，我們就能得到超級節能的元件。」

陳劭宇闡明，超流激子在理論上已被預測，但還沒有人在實驗中成功操縱這項性質。他表示，控制超流激子是物理學界共有的、也是他個人追求的遠大目標之一。二維材料中包含超流體、高效率光電轉換等特質，為未來科技開創了廣大的可能。在陳劭宇等物理學家的持續投入下，我們有機會親眼見到他們利用輕於鴻毛的二維材料，實現宏大的未來科技。

（更多深入淺出的二維材料知識，請看降維展開新宇宙：陳劭宇和激子物理）

參考資料

• Paylaga, N.T., Chou, CT., Lin, CC. et al. Monolayer indium selenide: an indirect bandgap material exhibits efficient brightening of dark excitons. npj 2D Mater Appl 8, 12 (2024).
• 二維量子半導體中的激子物理
• 二維材料：未來科技的新前沿

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。

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。

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。

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。

「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。

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。

今天生日的愛爾蘭物理學家貝爾（John S. Bell, 1928－1990）是古典力學的擁護者。愛因斯坦去世的第二年，他拿到博士；一代宗師已逝，再無人能力抗量子力學，捍衛古典力學的信念。事實上古典陣營與量子陣營的爭辯熱潮早已過去，當年愛因斯坦對量子力學的陣陣攻詰被波耳一一拆解，只剩 1935 年提出的 EPR 悖論尚懸而未決──究竟是「不確定性原理」仍不完備，或是量子纏結真的有「鬼魅的超距作用」？

問題在於這個思想實驗難以驗證。兩個纏結粒子的某些量子性質互補（例如一個自旋向上，另一個必定自旋向下）是已經確定的事，也就是說測量結果必定如此，如何知道過程中間是否有超距作用？對貝爾而言，他更想為愛因斯坦證明超距作用並不存在。

量子力學談的是機率，就用機率來解決。1964 年，貝爾提出可以驗證 EPR悖論 的方法。A 粒子的自旋「投影」在的方向非正即負，因此共有八種可能；與 A 纏結的 B 粒子也是，但恰恰跟 A 相反，例如 A 是（+,+,-）的話，B 就是（-,-,+）。但我們事先無法知道粒子的自旋方向，測量時也只能從 X、Y、Z 三軸中任選一軸來測量其方向為正或負。

我們定義 P_xy 代表在 X 軸方向測量 A 粒子與在 Y 軸方向測量 B 粒子所得到的相關性。以前例而言，A 是 + 而 B 是 -，兩者相反，所以 P_xy = -1；同理，P_xz = +1，P_yz = +1。因為每次只能選擇一軸進行測量，所以每一對纏結粒子的測量結果只會得到 P_xy、P_xz或 P_yz  其中一項的值。貝爾證明，我們若依這三種配對方向測量大量的纏結粒子對，所得到的平均值一定會符合這個不等式：

|P_xz – P_zy | <= 1 + P_xy

是的，依照古典力學，測量 A 粒子與測量 B 粒子是獨立的兩件事，彼此不會互相影響，這項定理絕對成立。貝爾深信實驗結果一定符合他導出的不等式，證明超距作用並不存在。

結果自 1972 年起至今，科學家用光子做過不下二十次實驗，實驗越來越精確完備、光子距離越拉越遠，但所有實驗數據都不符合貝爾不等式，代表「兩個光子的測量是獨立事件」的假設是錯的。也就是說，A 光子與 B 光子之間真的存在「鬼魅的超距作用」！於是，原本想給予量子力學致命一擊的貝爾不等式，反而成為證明量子力學哥本哈根詮釋的最佳利器。

貝爾也只能黯然接受。1990 年，他因此獲得諾貝爾物理獎的提名，卻與之擦身而過──因為依慣例諾貝爾獎只頒給生者，然而他當年時卻因腦溢血死亡。直到去世，他對於獲得提名一事都毫無所悉。

本文同時收錄於《科學史上的今天：歷史的瞬間，改變世界的起點》，由究竟出版社出版。

在這個充滿光與生命的宇宙中，我們的存在其實與一種看不見的力量密切相關，那就是量子力學。沒有量子力學，太陽將不會發光，地球上的生命將無法誕生，甚至整個宇宙的運行規則都會截然不同。這些微觀層次的奧秘深深影響了我們日常生活的方方面面。

其中，量子穿隧效應是一個看似違背直覺但至關重要的現象，從太陽的核融合反應到基因的突變，這種效應無處不在，甚至還牽動著當今的高科技產業。

什麼是量子穿隧效應？

我們可以將量子穿隧效應比作一個奇妙的穿牆術。想像一下，你身處一個被高牆包圍的城市，牆外是未知的世界。通常，如果你要越過這道牆，需要極大的力量來翻越它，或者用工具打破它。然而，在量子的世界裡，情況並不如此。

在微觀的量子力學世界中，粒子同時具有波的特性，這意味著它們並不完全受限於傳統物理的規則。當一個微觀粒子遇到能量障礙時，即使它沒有足夠的能量直接穿過障礙，卻仍有一定機率能出現在障礙的另一邊，這就是「量子穿隧效應」。粒子彷彿直接在牆上挖了一條隧道，然後穿越過去。

這聽起來像魔法，但它背後有深刻的物理學道理。這個現象的發生取決於量子粒子的波動性質以及能量障礙的高度和寬度。如果障礙較矮且較窄，粒子穿隧的機率就較高；反之，障礙越高或越寬，穿隧的機率則會降低。

太陽發光：核融合與量子穿隧效應的結合

量子穿隧效應的存在，讓我們能夠理解恆星如何持續發光。以太陽為例，太陽內部的高溫環境為核融合反應提供了所需的能量。在這個過程中，氫原子核（質子）需要克服極大的電磁排斥力，才能彼此靠近，進而融合成為氦原子核。

然而，單靠溫度提供的能量並不足以讓所有質子進行核融合。根據科學家的計算，只有約10的 434 次方個質子中，才有一對具備足夠的能量進行核融合。這是一個極小的機率。如果沒有量子穿隧效應，這種反應幾乎不可能發生。

幸好，量子穿隧效應在這裡發揮了關鍵作用。由於量子粒子具有波動性，即便質子沒有足夠的能量直接跨越能量障礙，它們仍然能透過穿隧效應，以一定機率克服電磁排斥力，完成核融合反應。這就是為什麼太陽內部的核融合能夠源源不斷地發生，並且持續產生光與熱，讓地球成為適合生命生存的家園。

量子穿隧效應與生命的演化

除了恆星的發光之外，量子穿隧效應還對生命的誕生和演化起到了關鍵作用。地球上物種的多樣性，很大一部分源於基因突變，而量子穿隧效應則幫助了這一過程。

DNA 分子是攜帶遺傳訊息的載體，但它的結構並不穩定，容易在外界因素影響下發生變異。然而，即使沒有外界因素的干擾，科學家發現 DNA 仍會自發性地發生「點突變」，這是一種單一核苷酸替換另一種核苷酸的突變形式。

量子穿隧效應讓氫原子隨時可能在 DNA 結構中進行位置轉換，從而導致鹼基對的錯位，這在 DNA 複製過程中，可能會引發突變。這些突變若保留下來，就會傳遞給下一代，最終豐富了基因與物種的多樣性。

半導體技術中的量子穿隧效應

除了在宇宙和生命中發揮作用，量子穿隧效應還影響著我們的日常生活，尤其在現代科技中。隨著半導體技術的發展，電子設備的體積不斷縮小，這也讓電子元件的性能面臨更大的挑戰。

在微小的電子元件中，量子穿隧效應會導致電子穿過元件中的障礙，產生不必要的漏電流。這種現象對電晶體的性能帶來了負面影響，因此設計師們需要找到方法來減少穿隧效應的發生，以確保元件的穩定性。

雖然這是我們不希望見到的量子效應，但它再次證明了量子力學在我們生活中的深遠影響。設計更有效的半導體元件，必須考慮到量子穿隧效應，這讓科學家與工程師們需要不斷創新。

量子力學是我們宇宙的隱藏力量

量子穿隧效應看似深奧難懂，但它對宇宙的運作和生命的誕生至關重要。從太陽的核融合反應到基因突變，甚至現代科技中的半導體設計，量子力學影響著我們生活的方方面面。

在這個充滿未知的微觀世界裡，量子現象帶來的影響是我們難以想像的。正是這些看似不可思議的現象，塑造了我們的宇宙，讓生命得以誕生，科技得以發展。當我們仰望星空時，別忘了，那閃耀的光芒，背後藏著的是量子力學的奇妙力量。