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物理學家打造出第一個單光子路由器

only-perception
・2011/08/27 ・1440字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 590 ・九年級

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藉由展示,內嵌在一條傳輸線(transmission line)中的人造原子能將單一光子自輸入埠路由(route)到二個輸出埠(output 1、output 2)的其中一個,物理學家建立出第一個在單光子層次上運作的路由器。單光子路由器有朝一日能在量子資訊網路中成為一種量子節點,能夠提供基本的資料處理以 及路由。

這些科學家,由來自瑞典 Goteborg,Chalmers 科技大學的 Per Delsing 與 Chris Wilson 所領導,以及來自西班牙馬德里,Spanish National Research Council 的共同作者,將他們的研究發表在最近一期的 Physical Review Letters 上。

如科學家的解釋,控制與引導光子比控制與引導電子(其為今日絕大多數路由器所用)更加困難。困難根源於這項事實:光子不像電子,彼此並不會強烈地 交互作用。然而,量子通道最重要的需求之一是,能將資訊散播到很遠的距離。因為光子比起其他量子系統,例如原子,能前後一致地傳播非常遠的距離,所以把當 光子當成量子資訊網路中的資訊載體,別具意義。

為了建立他們的單光子路由器,科學家把某種超導量子位元當成「人造原子(artificial atom)」使用(儘管 qubit 實際上是由數個原子構成,不過那像一個真正的原子,具有離散的能態)。這些科學家接著將 qubit 耦合到一維的傳輸線,微波光子藉此可行進。接下來,他們採用一道微弱的、連續的光子探針,有時還增加一道較強的控制脈衝。沒有這道強控制脈衝 (strong control pulse),人造原子會將入射光子反射回去,那會行進到 output 1。當強控制脈衝開啟,那會導致電磁誘發通透(electromagnetically induced transparency,EIT)的現象。EIT 導致原子對於弱探針射束(weak probe beam)而言是「透明的」,導致光子行進通過原子,抵達 output 2。透過這種方式,科學家能將入射光子引導至二個輸出埠的其中一個。

「基於單個原子的電磁誘發通透,已在(可見)光域(optical domain)中被證明,不過其激發效率相當低,” Delsing 表示。”在微波域中,某個日本小組已獲得 90% 的效率,不過那並不是被設置成路由器。因此,你可以說,這是第一個在單光子層次上運作的路由器。此外,其效率高達 99%,而且它相當快。」

研究者在激發效率上達成一個數量級的增加(達到 99.6%),那顯示,光子有效率地耦合到人造原子,使得光子能獲得更好的控制。該裝置的切換時間(switching time,將入射光子從其中一個輸出埠切換到另一個所花的時間)只有幾奈秒。

科學家也提到,這個路由器能輕易地擴展成多重輸出埠,如果要當成量子節點使用,這將是必須的。

“我們心裡已盤算幾個新實驗,其中之一是實作我們在論文中描述的多重輸出路由器,” Delsing 說。”其他可能的實驗包括,在相同傳輸線中使用多個人造原子並增加與光子互動的「原子」數量。我們正朝向「大規模量子物件整合」移動。”

對於量子通道中的應用,科學家解釋,使用可見光光子會比微波光子(那在本研究中使用)好。該裝置在研究中也能有重要的應用。

“路由器在研究中能非常有用,例如,來自單光子源的光子,可藉此散布到數個在同一晶片上的實驗,” Delsing 說。”那因而將允許利用微波光子進行更加密實且整合度更高的實驗。”

“光子是理想的量子資訊載體,” 他補充道。”利用這個路由器,我們能散播與路由攜帶量子資訊的微波光子。在未來的量子電腦中,能在不同的量子電腦內或量子電腦間通訊,將非常有用。在較遠 的未來,你可以想像一下,有時被指稱為「量子網際網路(quantum interne)」的東西。然而,你將需要額外的裝置,例如在可見光光子與微波光子之間的量子界面,以及所謂的量子中繼器(quantum repeaters)。”

※ 相關報導:

* Demonstration of a Single-Photon Router in the Microwave Regime
http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.107.073601
Io-Chun Hoi, C. M. Wilson, Goran Johansson, Tauno Palomaki,
Borja Peropadre, and Per Delsing
Phys. Rev. Lett. 107, 073601 (2011) [5 pages]
doi: 10.1103/PhysRevLett.107.073601

資料來源:PHYORG.com: Physicists build first single-photon router [August 22, 2011]

原發表於 Only Perception

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only-perception
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妳/你好,我是來自火星的火星人,畢業於火星人理工大學(不是地球上的 MIT,請勿混淆 :p),名字裡有條魚,雖然跟魚一點關係也沒有,不過沒有關係,反正妳/你只要知道我不是地球人就行了... :D

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AI 是理科「主場」? AI 也可以成為文科人的助力!
研之有物│中央研究院_96
・2022/08/13 ・5646字 ・閱讀時間約 11 分鐘

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本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位。

  • 採訪撰文/田偲妤
  • 美術設計/蔡宛潔

AI 的誕生,文理缺一不可

人工智慧(Artificial Intelligence,簡稱 AI)在 21 世紀的今日已大量運用在生活當中,近期掀起熱議的聊天機器人 LaMDA、特斯拉自駕系統、AI 算圖生成藝術品等,都是 AI 技術的應用。多數 AI 的研發秉持改善人類生活的人文思維,除了仰賴工程師的先進技術,更需要人文社會領域人才的加入。

中央研究院「研之有物」專訪院內人文社會科學研究中心蔡宗翰研究員,帶大家釐清什麼是 AI?文科人與工程師合作時,需具備什麼基本 AI 知識?AI 如何應用在人文社會領域的工作當中?

中央研究院人文社會科學研究中心蔡宗翰研究員。圖/研之有物

詩詞大對決:人與 AI 誰獲勝?

一場緊張刺激的詩詞對決在線上展開!人類代表是有「AI 界李白」稱號的蔡宗翰研究員,AI 代表則是能秒速成詩的北京清華九歌寫詩機器人,兩位以「人工智慧」、「類神經」為命題創作七言絕句,猜猜看以下兩首詩各是誰的創作?你比較喜歡哪一首詩呢?

猜猜哪首詩是 AI 做的?哪首詩是人類做的?圖/研之有物

答案揭曉!A 詩是蔡宗翰研究員的創作,B 詩是寫詩機器人的創作。細細賞讀可發覺,A 詩的內容充滿巧思,為了符合格律,將「類神經」改成「類審經」;詩中的「福落天赦」是「天赦福落」的倒裝,多念幾次會發現,原來是 Google 開發的機器學習開源軟體庫「Tensor Flow」的音譯;而「拍拓曲」則是 Facebook 開發的機器學習庫「Pytorch」的音譯,整首詩創意十足,充滿令人會心一笑的魅力!

相較之下,B 詩雖然有將「人工」兩字穿插引用在詩中,但整體內容並沒有呼應命題,只是在詩的既有框架內排列字句。這場人機詩詞對決明顯由人類獲勝!

由此可見,當前的 AI 缺乏創作所需的感受力與想像力,無法做出超越預先設定的創意行為。然而,在不久的將來,AI 是否會逐漸產生情感,演變成電影《A.I. 人工智慧》中渴望人類關愛的機器人?

AI 其實沒有想像中聰明?

近期有一則新聞「AI 有情感像 8 歲孩童?Google 工程師爆驚人對話遭停職」,讓 AI 是否已發展出「自我意識」再度成為眾人議論的焦點。蔡宗翰研究員表示:「當前的 AI 還是要看過資料、或是看過怎麼判讀資料,經過對應問題與答案的訓練才能夠運作。換而言之,AI 無法超越程式,做它沒看過的事情,更無法替人類主宰一切!

會產生 AI 可能發展出情感、甚至主宰人類命運的傳言,多半是因為我們對 AI 的訓練流程認識不足,也缺乏實際使用 AI 工具的經驗,因而對其懷抱戒慎恐懼的心態。這種狀況特別容易發生在文科人身上,更延伸到文科人與理科人的合作溝通上,因不了解彼此領域而產生誤會與衝突。如果文科人可以對 AI 的研發與應用有基本認識,不僅能讓跨領域的合作更加順利,還能在工作中應用 AI 解決許多棘手問題。

「職場上常遇到的狀況是,由於文科人不了解 AI 的訓練流程,因此對 AI 產生錯誤的期待,認為辛苦標注的上千筆資料,應該下個月就能看到成果,結果還是錯誤百出,準確率卡在 60、70% 而已。如果工程師又不肯解釋清楚,兩方就會陷入僵局,導致合作無疾而終。」蔡宗翰研究員分享多年的觀察與建議:

如果文科人了解基本的 AI 訓練流程,並在每個訓練階段協助分析:錯誤偏向哪些面向?AI 是否看過這方面資料?文科人就可以補充缺少的資料,讓 AI 再進行更完善的訓練。

史上最認真的學生:AI

認識 AI 的第一步,我們先從分辨什麼是 AI 做起。現在的數位工具五花八門,究竟什麼才是 AI 的應用?真正的 AI 有什麼樣的特徵?

基本上,有「預測」功能的才是 AI,你無法得知每次 AI 會做出什麼判斷。如果只是整合資料後視覺化呈現,而且人類手工操作就辦得到,那就不是 AI。

數位化到 AI 自動化作業的進程與舉例。圖/研之有物

蔡宗翰研究員以今日常見的語音辨識系統為例,大家可以試著對 Siri、Line 或 Google 上的語音辨識系統講一句話,你會發現自己無法事先知曉將產生什麼文字或回應,結果可能正是你想要的、也可能牛頭不對馬嘴。此現象點出 AI 與一般數位工具最明顯的不同:AI 無法百分之百正確!

因此,AI 的運作需建立在不斷訓練、測試與調整的基礎上,盡量維持 80、90% 的準確率。在整個製程中最重要的就是訓練階段,工程師彷彿化身老師,必須設計一套學習方法,提供有助學習的豐富教材。而 AI 則是史上最認真的學生,可以穩定、一字不漏、日以繼夜地學習所有課程。

AI 的學習方法主要分為「非監督式學習」、「監督式學習」。非監督式學習是將大批資料提供給 AI,讓其根據工程師所定義的資料相似度算法,逐漸學會將相似資料分在同一堆,再由人類檢視並標注每堆資料對應的類別,進而產生監督式學習所需的訓練資料。而監督式學習則是將大批「資料」和「答案」提供給 AI,讓其逐漸學會將任意資料對應到正確答案。

圖/研之有物

學習到一定階段後,工程師會出試題,測試 AI 的學習狀況,如果成績只有 60、70 分,AI 會針對答錯的地方調整自己的觀念,而工程師也應該與專門領域專家一起討論,想想是否需補充什麼教材,讓 AI 的準確率可以再往上提升。

就算 AI 最後通過測試、可以正式上場工作,也可能因為時事與技術的推陳出新,導致準確率下降。這時,AI 就要定時進修,針對使用者回報的錯誤進行修正,不斷補充新的學習內容,讓自己可以跟得上最新趨勢。

在了解 AI 的基本特徵與訓練流程後,蔡宗翰研究員建議:文科人可以看一些視覺化的操作影片,加深對訓練過程的認識,並實際參與檢視與標注資料的過程。現在網路上也有很多 playground,可以讓初學者練習怎麼訓練 AI,有了上述基本概念與實務經驗,就可以跟工程師溝通無礙了。

AI 能騙過人類,全靠「自然語言處理」

AI 的應用領域相當廣泛,而蔡宗翰研究員專精的是「自然語言處理」。問起當初想投入該領域的原因,他充滿自信地回答:因為自然語言處理是「AI 皇冠上的明珠」!這顆明珠開創 AI 發展的諸多可能性,可以快速讀過並分類所有資料,整理出能快速檢索的結構化內容,也可以如同真人般與人類溝通。

著名的「圖靈測試」(Turing Test)便證明了自然語言處理如何在 AI 智力提升上扮演關鍵角色。1950 年代,傳奇電腦科學家艾倫・圖靈(Alan Turing)設計了一個實驗,用來測試 AI 能否表現出與人類相當的智力水準。首先實驗者將 AI 架設好,並派一個人操作終端機,再找一個第三者來進行對話,判斷從終端機傳入的訊息是來自 AI 或真人,如果第三者無法判斷,代表 AI 通過測試。

圖靈測試:AI(A)與真人(B)同時傳訊息給第三者(C),如果 C 分不出訊息來自 A 或 B,代表 AI 通過實驗。圖/研之有物

換而言之,AI 必須擁有一定的智力,才可能成功騙過人類,讓人類不覺得自己在跟機器對話,而這有賴自然語言處理技術的精進。目前蔡宗翰的研究團隊有將自然語言處理應用在:人文研究文本分析、新聞真偽查核,更嘗試以合成語料訓練臺灣人專用的 AI 語言模型。

讓 AI 替你查資料,追溯文本的起源

目前幾乎所有正史、許多地方志都已經數位化,而大量數位化的經典更被主動分享到「Chinese Text Project」平台,讓 AI 自然語言處理有豐富的文本資料可以分析,包含一字不漏地快速閱讀大量文本,進一步畫出重點、分門別類、比較相似之處等功能,既節省整理文本的時間,更能橫跨大範圍的文本、時間、空間,擴展研究的多元可能性。

例如我們想了解經典傳說《白蛇傳》是怎麼形成的?就可以應用 AI 進行文本溯源。白蛇傳的故事起源於北宋,由鎮江、杭州一帶的說書人所創作,著有話本《西湖三塔記》流傳後世。直至明代馮夢龍的《警世通言》二十八卷〈白娘子永鎮雷峰塔〉,才讓流傳 600 年的故事大體成型。

我們可以透過「命名實體辨識技術」標記文本中的人名、地名、時間、職業、動植物等關鍵故事元素,接著用這批標記好的語料來訓練 BERT 等序列標注模型,以便將「文本向量化」,進而找出給定段落與其他文本的相似之處。

經過多種文本的比較之後發現,白蛇傳的原型可追溯自印度教的那伽蛇族故事,傳說那伽龍王的三女兒轉化成佛、輔佐觀世音,或許與白蛇誤食舍利成精的概念有所關連,推測印度神話應該是跟著海上絲路傳進鎮江與杭州等通商口岸。此外,故事的雛型可能早從唐代便開始醞釀,晚唐傳奇《博異志》便記載了白蛇化身美女誘惑男子的故事,而法海和尚、金山寺等關鍵人物與景點皆真實存在,金山寺最初就是由唐宣宗時期的高僧法海所建。

白蛇傳中鎮壓白娘子的雷峰塔。最早為五代吳越王錢俶於 972 年建造,北宋宣和二年(1120 年)曾因戰亂倒塌,大致為故事雛形到元素齊全的時期。照片中雷峰塔為 21 世紀重建。圖/Wikimedia

在 AI 的協助之下,我們得以跨時空比較不同文本,了解說書人如何結合印度神話、唐代傳奇、在地的真人真事,創作出流傳千年的白蛇傳經典。

最困難的挑戰:AI 如何判斷假新聞

除了應用在人文研究文本分析,AI 也可以查核新聞真偽,這對假新聞氾濫的當代社會是一大福音,但對 AI 來說可能是最困難的挑戰!蔡宗翰研究員指出 AI 的弱點:

如果是答案和數據很清楚的問題,就比較好訓練 AI。如果問題很複雜、變數很多,對 AI 來說就會很困難!

困難點在於新聞資訊的對錯會變動,可能這個時空是對的,另一個時空卻是錯的。雖然坊間有一些以「監督式學習」、「文本分類法」訓練出的假新聞分類器,可輸入當前的新聞讓機器去判讀真假,但過一段時間可能會失準,因為新的資訊源源不絕出現。而且道高一尺、魔高一丈,當 AI 好不容易能分辨出假新聞,製造假新聞的人就會破解偵測,創造出 AI 沒看過的新模式,讓先前的努力功虧一簣。

因此,現在多應用「事實查核法」,原理是讓 AI 模仿人類查核事實的過程,尋找權威資料庫中有無類似的陳述,可用來支持新聞上描述的事件、主張與說法。目前英國劍橋大學為主的學者群、Facebook 與 Amazon 等業界研究人員已組成 FEVEROUS 團隊,致力於建立英文事實查核法模型所能運用的資源,並透過舉辦國際競賽,廣邀全球學者專家投入研究。

蔡宗翰教授團隊 2021 年參加 FEVEROUS 競賽勇奪全球第三、學術團隊第一後,也與合作夥伴事實查核中心及資策會討論,正著手建立中文事實查核法模型所需資源。預期在不久的將來,AI 就能幫讀者標出新聞中所有說法的資料來源,節省讀者查證新聞真偽的時間。

AI 的無限可能:專屬於你的療癒「杯麵」

想像與 AI 共存的未來,蔡宗翰研究員驚嘆於 AI 的學習能力,只要提供夠好、夠多的資料,幾乎都可以訓練到讓人驚訝的地步!圖/研之有物

AI 的未來充滿無限可能,不僅可以成為分類與查證資料的得力助手,還能照護並撫慰人類的心靈,這對邁入高齡化社會的臺灣來說格外重要!許多青壯年陷入三明治人(上有老、下有小要照顧)的困境,期待有像動畫《大英雄天團》的「杯麵」(Baymax)機器人出現,幫忙分擔家務、照顧家人,在身心勞累時給你一個溫暖的擁抱。

機器人陪伴高齡者已是現在進行式,新加坡南洋理工大學 Gauri Tulsulkar 教授等學者於 2021 年發表了一項部署在長照機構的機器人實驗。這名外表與人類相似的機器人叫「娜丁」(Nadine),由感知、處理、互動等三層架構組成,可以透過麥克風、3D和網路鏡頭感知用戶特徵、所處環境,並將上述資訊發送到處理層。處理層會依據感知層提供的資訊,連結該用戶先前與娜丁互動的記憶,讓互動層可以進行適當的對話、變化臉部表情、用手勢做出反應。

長照機構的高齡住戶多數因身心因素、長期缺乏聊天對象,或對陌生事物感到不安,常選擇靜默不語,需要照護者主動引導。因此,娜丁內建了注視追蹤模型,當偵測到住戶已長時間處於被動狀態,就會自動發起話題。

實驗發現,在娜丁進駐長照機構一段時間後,住戶有一半的天數會去找她互動,而娜丁偵測到的住戶情緒多為微笑和中性,其中有 8 位認知障礙住戶的溝通能力與心理狀態有明顯改善。

照護機器人娜丁的運作架構。圖/研之有物

至於未來的改進方向,研究團隊認為「語音辨識系統」仍有很大的改進空間,需要讓機器人能配合老年人緩慢且停頓較長的語速,音量也要能讓重聽者可以清楚聽見,並加強對方言與多語混雜的理解能力。

臺灣如要發展出能順暢溝通的機器人,首要任務就是要開發一套臺灣人專用的 AI 語言模型,包含華語、臺語、客語、原住民語及混合以上兩種語言的理解引擎。這需花費大量人力與經費蒐集各種語料、發展預訓練模型,期待政府能整合學界與業界的力量,降低各行各業導入 AI 相關語言服務的門檻。

或許 AI 無法發展出情感,但卻可以成為人類大腦的延伸,協助我們節省處理資料的時間,更可以心平氣和地回應人們的身心需求。與 AI 共存的未來即將來臨,如何讓自己的行事邏輯跟上 AI 時代,讓 AI 成為自己的助力,是值得你我關注的課題。

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研之有物│中央研究院_96
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研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook

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現實總是不如想像那麼美好,虛擬畫面投射在現實世界可能還需要更多技術突破——《VR萬物論》
PanSci_96
・2019/12/25 ・3109字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 501 ・六年級

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  • 作者/傑容‧藍尼爾(Jaron Lanier);譯者/洪慧芳

我們周遭充斥的可笑錯誤?!

有一件事,我一直拖著不談:為什麼你在科幻電影、概念影片、電視節目中看到的多數 VR 是不可能實現的?原因說起來實在令人感傷。

我們一再看到他們讓虛擬的影像浮在半空中。《星際大戰》裡的莉亞公主(Princess Leia)就是那樣,這幾乎已經成了普遍的作法。

《星際大戰》裡的莉亞公主的求助 VR 影像。圖/IMDb

莉亞公主(Princess Leia)本人放大。圖/GIPHY

我不介意科幻片出現這種場景,但國防承包商及宣傳 VR 產品的公司也在影片中搞這種騙人的演示。還有人在「群眾外包」網站(Crowdsourcing)上用這種方式來欺騙大家投資。

更糟的是,這一切往往是以一種自欺欺人的方式發生!我常遇到軍方或科技業的高層人士深受那些影片中的浮動全像圖所吸引(而且那些影片還是他們自己委託製作的),並投入大量的資金去做那種實際上不存在的技術,至少到了現在都還不存在。

這個問題代價不斐!多年來,由於大家認為虛擬的東西可以隨意投射在現實世界的半空中,而不是投射在特殊的光學表面上,或不需要配戴頭戴裝置或藉由其他的干預來實現,我們因此浪費了大量的資金。我隨便數幾筆,那些金額就高達數十億美元。

圖/GIPHY

那是不可能的!好吧,我也知道科幻大師亞瑟.克拉克(Arthur C. Clarke)的名言:當專家說某件事不可能時,最後幾乎都可以證明他是錯的。也許有一天我們可以操縱一個異常強大的人造重力場,讓它和光子互動,在房間裡把它們精確地折射,而且又不會撕裂旁觀者的肉體。或許不是絕對不可能,但是在現今可選擇的世界裡,是完全無法想像的。

原因在於:物理學家現在已經非常瞭解光子了。描述光子的量子場論在預測每個實驗的光子行為時,幾乎已經達到百分之百的完美預測。

我們確切知道的一點是:光子內部沒有任何記憶暫存器,無法記住未來的軌跡變化指令。它們一旦朝著某個方向行進,只會一直前進,直到遇到折射它們的物體。

這意味你不能把一個光子發送到一個房間裡,並要求它照著預先設定的那樣右轉,轉到你看得見的地方。你必須看著或看穿一個實體的東西,那是光子進入你的視網膜之前所碰到的最後一個東西。

光子進入你的視網膜前所碰到最後一個光學物件,像是鏡面反射的光子波陣面。圖/GIPHY

這個最後一個光學物件,可能是最初產生光子的螢幕中某個像素(一般電視機或電腦螢幕就是如此);也可能是鏡面反射的光子波陣面(你看自己刷牙時就是如此);或是一些光子用力穿透玻璃鏡片,最終朝著修正的方向前進(一般的眼鏡就是如此,我們稱之為折射);或是光柵或全像圖中的微觀結構可能為光子指引方向(我們稱之為繞射)。

但是,在瘋狂科學家的目鏡或特務的槍管前,不會有虛擬的物體浮在空間中,像肉眼看到那樣。我知道揭露這樣的真相令人失望。1

第三十二個 VR 定義:一種常被誤解的科技,大家以為能利用它把全像圖投射在半空中,但實際上做不到。

你可以感受到我的無奈。為什麼投資人和軍事規畫者那樣的聰明人竟然難以理解這個道理呢?那感覺好像在說服大家別買昂貴的假藥。人類喜歡相信不可能的事情。

幸好,我們有很多方法可以為 VR 設計可行的顯示器。每當我覺得所有可能的 VR 策略都已經發明出來了,就會有人提出奇怪的新點子。只要你願意嘗試,你會發現那些可能的作法比不可能的作法還要有趣,也更好玩。

各種形式的視覺 VR 儀器

底下那張圖是根據 VR 裝置為了創造虛擬幻象而介入的位置,整理了多種 VR 可行的光學演示方式(亦即相對於不可能的懸浮式全像圖)。我們剛創立 VPL 時,我畫了一張類似這樣的簡圖,以決定我們該製造頭戴裝置或其他種視覺裝置。

這張圖中列了九種 VR 顯示器,共有十七種方式可以顯示 VR 的影像,但這還不是完整的清單!我知道這張圖可能會嚇到沒有技術背景的人,但其實裡面只有幾個重點需要瞭解。

我最喜歡使用「近眼顯示器」(我們熟悉的 VR 頭戴裝置,例如舊式的眼機或現在的 HoloLens),所以我把那些選項框起來,但我幾乎用過這張圖中顯示的每種裝置。這個清單之所以不完整,有個原因在於我和同事都希望能再增添新的項目,故我現在還不打算透露這些資訊。

圖/大塊文化提供

為什麼這張圖要畫得這麼複雜呢?為什麼要列那麼多項?原因在於,任一形式的視覺 VR 儀器都不是終極的完美設計,每個 VR 顯示器各有其優缺點。我期待各種 VR 裝置都可以在世界上找到合適的定位。

VR 終究是跟人及大腦有關,所以我是以大腦為中心來整理各種 VR 的使用方式。

從 VR 科學家的角度來看,觀感是根據距離和位置的區域來區分,每個區域強調不同類型的注意力和觀感。例如,你觀看「可用手操控的現實」和觀看「遙不可及的東西」時,兩種觀看方式是不同的。例如,在兩者的分界上,在靠近你的那一邊,立體視覺最重要。

我們也會進一步區分「你聚焦的東西」(在你眼前)和「你周遭的東西」(外圍視覺),兩者需要的敏銳感不同。你對周圍的某些運動、地平線,甚至稍微不同的顏色會更加敏感,尤其是在黑暗中。設計良好的 VR 頭戴裝置會把這些細節都納入考量。

圖中有一條很長的水平線。線的下方是只能看到虛擬東西的 VR 裝置;線的上方則是混合實境,又稱為擴增實境,你會看到虛擬與現實交織在一起。

註解:

  1. 有幾種方法可以稍微偽造出不可能的狀況。你可以用強大的雷射加熱空氣,直到它離子化,藉此在半空中創造出發亮的藍色小星星。少量的那種閃光可以充分地協調及回補,以形成初步的 3D 浮動幻象。(這是一般人預期充滿活力的日本 VR 研究圈可能做出來的極端 VR 實驗。)參見連結
    空氣不是虛無的,它會稍微彎曲光線。協調密集的聲波時,有可能創造出密集的氣囊,把光線彎得更大,但還不足以把光子從房間的中央硬是轉向眼睛。但也許有辦法至少做出很炫的演示。據我所知,還沒有人初步利用這種方法來演示不可能的景象,但遲早可能會有人這樣做,那實在是非常不切實際的作法。
    目前為止,最接近讓全像圖浮在半空中的方法,可能是我那位充滿創意的朋友肯.珀林(Ken Perlin)創造出來的原型。肯的裝備使用不可見光雷射,掃描一個懸空小空間的灰塵,接著馬上以較強的可見光雷射來照亮那些灰塵粒子以製造效果。雖然讓灰塵亮起來的方法有點效果,但最後的結果難免是模糊、昏暗、斑點狀的。另外還有一些類似的方法:一台明亮的投影機可以把圖像投射到房間裡的任何實體物件上。微軟研究院的一些同事,尤其是安迪.威爾森(Andy Wilson),已經探索過讓投影的圖像配合房間裡已有的實體物件可以創造出什麼。那樣做可以營造出房間正在跳動的幻覺,以及其他有趣的效果。
    如果實驗者戴著 3D 眼鏡,就可以把 3D 圖像注入房間的體驗中,但那樣做就偏離了「無眼鏡」的幻想。如果你剛好特別喜歡光滑、但非亮面的純白室內裝潢,你可以把整個房間當成一般的投影表面。這種效果在舞台製作以及一些精心策畫的互動式藝術場景中很實用。藝術家麥克.奈馬克(Michael Naimark)是使用這種方法的先驅。這種方法有時稱為「投影擴增實境」(projected augmented reality),這方面有很多相關的文獻。

——本文摘自《VR萬物論:一窺圍繞虛擬實境之父的誘惑、謊言與真相》,2019 年 11 月,網路與書出版

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這些科學家,由來自瑞典 Goteborg,Chalmers 科技大學的 Per Delsing 與 Chris Wilson 所領導,以及來自西班牙馬德里,Spanish National Research Council 的共同作者,將他們的研究發表在最近一期的 Physical Review Letters 上。

如科學家的解釋,控制與引導光子比控制與引導電子(其為今日絕大多數路由器所用)更加困難。困難根源於這項事實:光子不像電子,彼此並不會強烈地 交互作用。然而,量子通道最重要的需求之一是,能將資訊散播到很遠的距離。因為光子比起其他量子系統,例如原子,能前後一致地傳播非常遠的距離,所以把當 光子當成量子資訊網路中的資訊載體,別具意義。

為了建立他們的單光子路由器,科學家把某種超導量子位元當成「人造原子(artificial atom)」使用(儘管 qubit 實際上是由數個原子構成,不過那像一個真正的原子,具有離散的能態)。這些科學家接著將 qubit 耦合到一維的傳輸線,微波光子藉此可行進。接下來,他們採用一道微弱的、連續的光子探針,有時還增加一道較強的控制脈衝。沒有這道強控制脈衝 (strong control pulse),人造原子會將入射光子反射回去,那會行進到 output 1。當強控制脈衝開啟,那會導致電磁誘發通透(electromagnetically induced transparency,EIT)的現象。EIT 導致原子對於弱探針射束(weak probe beam)而言是「透明的」,導致光子行進通過原子,抵達 output 2。透過這種方式,科學家能將入射光子引導至二個輸出埠的其中一個。

「基於單個原子的電磁誘發通透,已在(可見)光域(optical domain)中被證明,不過其激發效率相當低,” Delsing 表示。”在微波域中,某個日本小組已獲得 90% 的效率,不過那並不是被設置成路由器。因此,你可以說,這是第一個在單光子層次上運作的路由器。此外,其效率高達 99%,而且它相當快。」

研究者在激發效率上達成一個數量級的增加(達到 99.6%),那顯示,光子有效率地耦合到人造原子,使得光子能獲得更好的控制。該裝置的切換時間(switching time,將入射光子從其中一個輸出埠切換到另一個所花的時間)只有幾奈秒。

科學家也提到,這個路由器能輕易地擴展成多重輸出埠,如果要當成量子節點使用,這將是必須的。

“我們心裡已盤算幾個新實驗,其中之一是實作我們在論文中描述的多重輸出路由器,” Delsing 說。”其他可能的實驗包括,在相同傳輸線中使用多個人造原子並增加與光子互動的「原子」數量。我們正朝向「大規模量子物件整合」移動。”

對於量子通道中的應用,科學家解釋,使用可見光光子會比微波光子(那在本研究中使用)好。該裝置在研究中也能有重要的應用。

“路由器在研究中能非常有用,例如,來自單光子源的光子,可藉此散布到數個在同一晶片上的實驗,” Delsing 說。”那因而將允許利用微波光子進行更加密實且整合度更高的實驗。”

“光子是理想的量子資訊載體,” 他補充道。”利用這個路由器,我們能散播與路由攜帶量子資訊的微波光子。在未來的量子電腦中,能在不同的量子電腦內或量子電腦間通訊,將非常有用。在較遠 的未來,你可以想像一下,有時被指稱為「量子網際網路(quantum interne)」的東西。然而,你將需要額外的裝置,例如在可見光光子與微波光子之間的量子界面,以及所謂的量子中繼器(quantum repeaters)。”

※ 相關報導:

* Demonstration of a Single-Photon Router in the Microwave Regime
http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.107.073601
Io-Chun Hoi, C. M. Wilson, Goran Johansson, Tauno Palomaki,
Borja Peropadre, and Per Delsing
Phys. Rev. Lett. 107, 073601 (2011) [5 pages]
doi: 10.1103/PhysRevLett.107.073601

資料來源:PHYORG.com: Physicists build first single-photon router [August 22, 2011]

原發表於 Only Perception

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妳/你好,我是來自火星的火星人,畢業於火星人理工大學(不是地球上的 MIT,請勿混淆 :p),名字裡有條魚,雖然跟魚一點關係也沒有,不過沒有關係,反正妳/你只要知道我不是地球人就行了... :D

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什麼都可以牽扯「量子」!山寨物理逐漸坐大的危機—《物理雙月刊》
物理雙月刊_96
・2017/01/10 ・3320字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 568 ・九年級

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  • 文/Sadri Hassani|Professor Emeritus, Illinois State University
  • 譯/林中一|國立中興大學物理系教授

山寨科學」在過去的幾十年內正快速的蔓延。營養補充品與「順勢醫療法」在江湖術士運用媒體的鼓吹之下已成了億元級的企業。網路上充斥的自命專家已經蠱惑了大批無知的群眾,準備簽下了請願書以強加他們反科學的需求於食品及農業企業。

主流的大學如哈佛、耶魯、史丹佛都已經有了國家衛生院所出資成立的所謂「整合健康中心」。這些所謂的「中心」提供各種包括針灸、「靈氣」、氣功與「吠陀醫學」等等課程。老牌的愛思唯爾出版社(Elsevier)現在也出了一份期刊 《探索》(Explore為所謂「另類醫學」與「整合醫學」等山寨科學提供了傳播的平台。

2014 年該期刊刊登了一篇〈後物質主義者宣言〉,將所謂「超心理學」與「瀕臨死亡經驗」提升到量子力學的層次 [1]。具有影響力的美國《赫芬頓郵報》(Huffington Post)甚至將該「宣言」的作者與思想先行者如哥白尼、刻卜勒與愛因斯坦並列[2]。

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在造成山寨科學大行其道的諸多因素裡,各種對近代物理-特別是量子力學的歪曲誤解顯得特別顯著。這些誤解肇因於上個世紀中有一些著名物理學家的一些近乎神秘主義與反科學的哲學觀點被錯誤的與近代物理聯想在一起。圖/By Luca Mangiapelo @ flickr, CC BY-NC-ND 2.0

在造成山寨科學大行其道的諸多因素裡,各種對近代物理——特別是量子力學的歪曲誤解顯得特別顯著。這些誤解肇因於上個世紀中有一些著名物理學家的一些近乎神秘主義與反科學的哲學觀點,被錯誤的與近代物理聯想在一起。普羅大眾對科學原理貧乏的瞭解,搭配上看到了由智慧型手機、全球定位系統、西格斯粒子以及重力波的確認等令人眼花撩亂的科學進展,那些被歪曲的哲學觀點轉化成了那些莫名其妙山寨科學的強大推力;那些胡說八道包括了所謂「量子療癒」、「量子接觸療法」以及其他在資訊市場上販賣的五花八門的「量子」產品。

這裡作者提供了兩個重要的被歪曲的近代物理例子:雙狹縫干涉實驗與 E = mc2

光子有意識?

整個非相對論量子力學奠基於薛丁格方程式解(φ)的兩個假設。第一個假設是:φ 的絕對值平方表現系統狀態的機率。第二個假設是疊加原理:如果系統有若干容許的路徑,那麼總體的 φ 等於各路徑對應的 φ ,在考慮適當權重後的和。

這兩個假設自量子力學被建構之始,就成了許多量子觀念的混淆與濫用的根源。有點糗大的是,這些誤謬引申的始作俑者卻是部分量子理論的建構者!(參見 1998 年 9 月號 PHYSICS TODAY 第 29 頁 Mara Beller 文章)。這些老兄們的凸槌誘發了後繼者在 1960、70 年代繼續搧風點火。翻開任何一本意圖建立東方神秘主義與近代物理相通的書籍─例如:卡普拉(Fritjof Capra)寫的《物理之「道」:近代物理與東方神秘主義相通的探討》(2010年 Shambhala 出版),或是祖卡夫(Gary Zukav)所著的《跳舞的物理大師:新物理概述》,不難看到引述自像是海森堡、波爾或歐本海默的認同。

一個神秘主義追隨者的最愛之一就是大家熟知的光學雙狹縫實驗 [3]。在《跳舞的物理大師》中,祖卡夫想像了兩次的實驗,第一次實驗關閉了雙狹縫其中一個狹縫,第二次實驗讓兩個狹縫都打開。

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一個神秘主義追隨者的最愛之一就是大家熟知的光學雙狹縫實驗。圖/By Jordgette, CC BY-SA 3.0, wikimedia commons

他思索著,「第一次實驗中的光子如何能知道第二個狹縫是關閉的?……當射出的光子通過第一個狹縫,光子如何「知道」如果另一個狹縫是開著的話,它會跑到暗線的部分?」……這些問題並沒有確定的答案。有些物理學家……懷疑光子可能有「意識」!(第62頁)」。

祖卡夫重複的使用「知道」這個詞,就已經在暗示光子是有智慧的!

然而儘管祖卡夫如此宣稱,但是對於他的問題,事實上卻是有個確定的答案。那兩種雙狹縫的情境之所以不同,並不是因為光子有了什麼神秘的資訊,而是因為 φ 是各個可能路徑 φ 的組合——如果只有一個狹縫是開的,那就只有一條路徑,兩個狹縫都打開則有兩條路徑。

只有一條路徑時 |φ|所對應的機率分佈是不同於兩條路徑的 |φ|2 所造成的結果;後者會在屏幕上產生亮紋與暗紋。任何解釋光子或其他量子物體的行為(它們都服贋基本機率規則)的意圖,都將引致如祖卡夫所問的荒謬問題;就如同下面的那個更熟悉的例子:

如果你扔 10 個銅板,那麼得到 6 個人頭(總數的 60%)的機率大約是 0.205。如果你扔 10,000 個銅板,那麼得到 60% 人頭的機率將降至 0.00…..29(89 個 0)!

現在,若將 10,000 個銅板視為 1,000 組的相互獨立的 10 個銅板系統,那麼每一組的 10 個銅板都有 25.5% 的機率扔出 60% 的人頭。然而,若考慮到其他組的結果一併考慮,那麼要得到 60% 人頭就變得實際上不可能了!

這種狀況,若照祖卡夫的說法,各組的 10 個銅板怎麼會「知道」其他組的出現呢?也許,也許銅板還真的是有意識的!

靈魂 = mc2

在諸多被「神鬼界」所濫用的字眼中,「能量」榮獲金牌!正負/陰陽、療癒、因果、氣……都屬飄盪在神秘主義大海上的「能量」。這背後可能是有個好理由:能量是非物質,但是物理裡最閃亮的神主牌「E = mc2」就將「非物質」的能量等同了「物質」的質量!依此類推,神秘主義的核心:「非物質」的靈魂/精神與物質的對等,就只剩一步之遙!

但是!能量真的是非物質?能量是物質所具有的一種性質。舉個例子,動能就是聯繫於物體速度的能量。去問動能是否屬物質,和問速度是否屬物質一樣荒謬。速度是運動中物質的一種性質。一顆「紅蘋果」是物質,那麼去說「紅色」是非物質有意義嗎?把物質與其性質——能量搞混,這是甚至受過訓練的物理學家常常落入的陷阱 [4],也是一種山寨科學家推銷其假貨有效且危險的工具。

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一顆「紅蘋果」是物質,那麼去說「紅色」是非物質有意義嗎?圖/By Gaby Altenberger @ flickr, CC BY-SA 2.0

最令人目眩的例子就是當 E = mc被用在物質-反物質的消滅現象;在這個過程中物質完全轉換為「純能量」。然而,等式左邊的 E 表某種質點的性質,這個質點可以是物質,但也可以是像是光子的無質量質點。一個光子撞上一個電子後改變了電子的狀態,這個碰撞的過程裡,光子的行為和一顆入射的電子一樣,都是很「物質」的。的確的,維格納(Eugene Wigner)證明過,一個物質質點是由其質量與自旋來描述,然這兩者都可能為零 [5]。這個事實是基於一個與特殊相對論一樣堅實的基礎。

E = mc裡的 E 永遠是兩個或兩個以上質點的能量,這個能量可以結合這些質點以產生等式右邊的質量,或者由質量虧損以產生。自然界中從來沒有質量能在沒有其他物質質點伴隨的情況之下轉換為能量,反之亦然。神秘主義的「靈魂-質量」對等性與近代物理的質能互換毫無關連。

對科學知能的意涵

山寨科學是一種社會性的精神疾病,而且是強力到無法在公共場域與之抗衡。

做為公眾主要資訊來源的媒體只對事物是否流行而非正確有興趣。還好,在相對具有保護性的學校圍牆內,我們還是有機會接觸到未來的主人翁們,而且希望我們的子孫以及他們的孩子們不要再屈服於折磨我們這一代的非理性。

在高中或是大學的物理或化學入門課程中,每週一次對一個 30 到 50 分鐘的閱讀作業的額外 5 分鐘小考,就可以逐漸的讓學生警覺到山寨科學的誤謬以及它對社會的危害。我建議用百科全書級的資源 RationalWiki 做為一個開端。這一層的訓練也許不像許多教師都已經重視的全球氣候變遷那般迫切,但是山寨科學的威脅絕不可輕忽,而且課堂是僅存能夠有效的挑戰山寨科學的地方。

參考資料:

  1. M. Beauregard et al., Explore 10, 272 (2014); E. Mielczarek, B. Engler, SkepticalInquirer 37(3), 32 (2013).
  2. D. Pruett,“Toward a post-materialistic science,”The Blog, Religion, HuffingtonPost (1 October 2014); S. Hassani, Skeptical Inquirer 39(5), 38 (2015).
  3. S. Hassani, From Atoms to Galaxies: A Conceptual Physics Approach to ScientificAwareness, CRC Press/Taylor & Francis (2010), p. 328.
  4. A. Hobson, Am. J. Phys. 81, 211 (2013).
  5. E. Wigner, Ann. Math. 40, 149 (1939).

原始出處:

The dangerous growth of pseudophysics, Physics Today


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本文摘自《物理雙月刊》38 卷 12 月號 ,更多文章請見物理雙月刊網站

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