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量子照相機-量子物理開啟了影像記錄的新世代

吳京
・2014/10/20 ・1724字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 548 ・八年級

我們常用「伸手不見五指」去形容多啦A夢的手,不過這個句話也可以說明一個地方沒有光就看不到東西。這個論述有三個關鍵字:「光」、「看」和「東西」。所謂的「看」或認何一種影像記錄,其實就是以感測器(眼睛、底片或CCD等)去補捉經過「東西」折射或反射後的「光」子。這種「看」的概念,理應牢不可破,但現在面臨到挑戰,一群在維也納從事量子光學研究的科學家利用量子物理的特性設計出一個實驗,讓他們可以透過一道未經過物體的光,拍攝到該物體的影像。為了向量子力學的鼻祖致敬,他們拍攝的物體之一,是一隻的輪廓。

量子照相機的第一張公開照片。Copyright: Patricia Enigl, IQOQI
量子照相機的第一張公開照片。Copyright: Patricia Enigl, IQOQI

這個實驗巧妙地改良了馬克詹達干涉儀(Mach-Zehnder interferometer,將處於「量子糾纏態」(quantum entanglement的光子對運用其中來完成物體的成像。嗯,不是很懂。沒關係,讓我們先從古典物理的講起,下圖為馬克詹達干涉儀的示意圖,左下角的分光鏡將光源一分為二,產生了兩道同相位的光,其中一道有經過物體、另一道則無,之後二道光會在右上角的分光鏡中會合,因為光波具有疊加特性,而其中一道光經過物體時會產生些微的相位差,因此成像時有干涉條紋的效果。

Mach-Zehnder interferometer 圖片來源:wikipedia
Mach-Zehnder interferometer
圖片來源:wikipedia

再來談談愛因斯坦眼中如鬼魅般(spooky)的「量子糾纏態」,wiki百科給的解釋為「兩個粒子在經過短暫時間彼此耦合之後,單獨攪擾其中任意一個粒子,會不可避免地影響到另外一個粒子的性質,儘管兩個粒子之間可能相隔很長一段距離」。以糾纏在一起的光子對而言,他們的波涵數不僅會線性疊加,還有非線性的乘積,因此你中有我、我中有你,當其中一道光被干擾時,另一道光的波涵數也會對應改變。這種糾纏的光子對可以利用雷射光與非線性晶體(non-linear crystal)相互作用而產生。

實驗架構 Copyright: Lois Lammerhuber
實驗架構
Copyright: Lois Lammerhuber

來看看這個實驗架構吧(如上圖示)!右下角的綠光為雷射光源(Laser),被分光鏡一分為二,會分別經過非線性晶體(NL1 NL2)而產生二雙糾纏態的光子對,即圖中的紅光及黃光。其中NL1產生的紅光會穿過欲拍攝之物體(Object)再進入NL2,二道黃光則會於另一個分光鏡交會重疊後指向感測器(Camera)。在這個實驗中,因為第一道紅光進入NL2而第二道紅光產自NL2,又二道黃光於觀測前先在分光鏡會合,所以最終的觀測者並不能區分紅光及黃光是由NL1或是NL2所產生,因此保有量子干涉效應(這個概念有一點像費曼的想像實驗);另一方面,透過量子糾繞態的關連,通過物體的紅光所承載之影像資訊亦會影響黃光的波涵數,因此接收黃光的感測器(Camera)可補捉到物體的影像。

還是看不懂?哈哈,其實筆者自已也是一知半解。還是直接說明這實驗最大的賣點:看東西的紅光並沒有被感測,而成像用的黃光則完全沒有經過物體!這打破了一般認知中「看」的概念。為了強調這點,本實驗中被拍攝的物體,其材質對黃光而言其實是透明的,就像X-ray看不到肌肉一般。故研究團隊認為這項發明有發展成醫療用途的潛力,對瞭解開天眼的靈異現象及量子糾纏的物理現象也很有幫助,研究成果已被發表於知名的期刊《Nature上。

參考資料

  1. Picturing Schrodinger’s cat: Quantum physics enables revolutionary imaging method. Phys.org [28/08/2014]
  2. Quantum physics enables revolutionary imaging method. Universitat wien [28/08/2014]
  3. Gabriela Barreto Lemos,Victoria Borish,Garrett D. Cole,Sven Ramelow,Radek Lapkiewicz &  Anton Zeilinger, “Quantum imaging with undetected photons”, Nature 512, 409–412,2014.
  4. Mach-Zehnder interferometer. Wikipedia [12/09/2014]
  5. 量子糾纏態。維基百科 [12/09/2014]

本文轉載自作者部落格吳京的量子咖啡館

文章難易度
吳京
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正職是二個娃兒的奶爸,副業為部落格《吳京的量子咖啡館》之館主。為人雜學而無術、滑稽而多辯,喜讀科學文章,再用自認有趣的方式轉述,企圖塑造博學又詼諧的假象。被吐嘈時會辯稱:「不是我冷,是你們不懂我的幽默。」

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你能想像棒球穿牆嗎?突破物理世界的常識:量子穿隧——《阿宅聯盟:量子危機》
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・2023/01/20 ・1226字 ・閱讀時間約 2 分鐘

想像一個全壘打王,面對前方的來球,大棒一揮,球越過了全壘打牆,到了牆的另外一邊。

Home~~~Run!圖/GIPHY

但假如,那個全壘打牆變成了兩層樓高呢?也許,他更大力地擊球(給球更多的能量),那顆球還是能夠飛越過全壘打牆,到牆的另外一邊。但如果,那全壘打牆變成了三十層樓高呢?我想會認為,除非靠機器,否則再厲害的全壘打王,不管用了多少力氣,他應該都無法讓球飛過三十層樓那麼高。

上述的例子,正顯示了我們日常生活中的物理原則:只要物體(球)的能量不足以跨越障礙物(牆),那麼它永遠不可能到達障礙物的另一側——但是,在量子的世界,卻不是這樣。

粒子是怎麼跨越各種障礙的?

量子力學裡,一個粒子具備的能量即使不足以跨越障礙,它仍然有小機率會出現在障礙的另一邊;而且,若粒子的能量跟跨越障礙所需要的能量愈接近、或是說只少一點,那麼這個粒子出現在障礙另一邊的機率就愈大。

這樣神奇的現象,彷彿就像是粒子挖了隧道穿過障礙一般(儘管並沒有真的隧道),所以稱為「量子穿隧」效應。

不過,在丟球的例子裡,我們可以想像,若是牆愈高或愈厚,那麼球就愈難飛過牆壁。同樣地,在量子力學的情形下,雖然粒子有可能在能量不足的狀況下穿過障礙,但要是障礙無限高或無限厚的話,那麼粒子就還是過不去的

儘管在量子力學的情況下,障礙無限高或無限厚,粒子還是過不去的。圖/Envato Elements

事實上,量子穿隧效應跟我們先前提到的「物質具有波的特性」非常有關係。想像水池中間有一顆大石頭,池中的水波在遇到石頭這個障礙物時,會從旁邊繞道而過;但如果是一般物質,一旦遇到障礙物就直接被擋住了,沒辦法繞道而行。

就是因為在量子世界,物質也具有波的特性,我們才會看到粒子的穿隧效應。儘管量子效應感覺很奇特,但它在很多方面都有實際的影響。

例如,我們知道太陽核心是依賴核融合反應來產生能量;在過程中,會將兩個氫原子核,融合成更重的原子核。但因為氫原子核都帶正電,要抵抗正電荷間的排斥力,將它們融合在一起,其實非常困難。也幸虧有量子穿隧效應,太陽內部的氫原子核才能克服電荷排斥力的阻礙,順利融合在一起,並製造能量。

所以,在地球的我們,能夠享受到太陽的光和熱,說起來也要感謝量子穿隧效應呢!

——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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「量子狀態」聽起來好難?其實就是機率與疊加——《阿宅聯盟:量子危機》
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・2023/01/19 ・1256字 ・閱讀時間約 2 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

想像我們往水池內丟兩顆石頭,以石頭的落點為中心,會個別產生漣漪,在水面上擴散開來。

而當兩個漣漪互相接觸時,交會之處的水面其實同時反應了兩個漣漪的影響;可以說,兩個漣漪疊加在一起了。漣漪是靠水傳遞的一種波,稱為水波;而「疊加」的現象,就是屬於波的一種特性

當兩個漣漪相互接觸時,會疊加在一起。圖/Envato Elements

物質的波,也就是物質波,同樣存在疊加的特性。只不過,物質波跟水波不同的地方在於,它不需要依賴「水」這種實際的東西來傳遞,而是一種「機率波」。機率波的數學形式長得像波,而它代表的,是量子系統處於不同狀態的機率分布

量子系統的狀態:機率波

當我們在描述量子系統的狀態時,就會用到「機率波」的概念。舉例來說,在電玩遊戲中要是打怪成功,死掉的怪物會留下寶物。怪物可能有 50% 的機率掉落寶物 A,也有 50% 的機率掉落寶物 B,但我們不會在事前就知道怪物會留下哪種寶物。

所以,怪物可以說是同時擁有「掉落寶物 A」和「掉落寶物 B」這兩種狀況,直到我們成功打完怪,才能確定牠究竟帶哪一種寶物。類似地,機率波告訴我們的,就是量子系統「有多少機率處於狀態 A、又有多少機率處於狀態 B」的資訊;如同兩個水波在水面上疊加,A 和 B 這兩個狀態同時存在這個量子系統上。所以,我們把量子系統「同時處於不同狀態疊加」的狀況,稱為「疊加態」

直到我們打怪成功,才能確定究竟掉哪一種寶物。圖/GIPHY

另一方面,也跟打完怪物才知道掉什麼寶物類似,在我們實際觀測量子系統前,並無法知道會看到狀態 A 還是狀態 B,要觀測完才會知道。因為量子疊加的特殊性質,科學家想到,或許可以拿來做一些實際的運用。

例如,在現代的電腦運算中,「位元」是資訊的最小單位,可以用 0 或 1 這兩個數值來表示。那麼,我們也許能夠把「同時存在兩種不同狀態的量子系統」當作位元使用,讓它的兩種狀態分別代表 0 跟 1 來儲存資訊,而這就被稱為量子位元

由於物理性質的不同,量子位元在某些狀況下,可以運算得比傳統位元更有效率;利用量子位元建構的電腦,就稱為量子電腦。雖然目前已經有少數量子電腦問世,能以最多一百多個量子位元進行運算,但要能大規模運用在日常生活中,除了要再想辦法增加量子位元之外,還有許多難題要克服,所以,現在就先讓漫畫的想像來代替很可能成真的未來吧。

——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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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》
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・2023/01/18 ・1094字 ・閱讀時間約 2 分鐘

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。

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。

——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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