量子遙傳 粒子傳真大法

量子遙傳（quantum teleportation）的取名其實不太恰當；與大眾媒體或新聞標題給人們的印象相反（諸如〈首顆粒子從地球傳送到太空軌道〉（First teleportation from Earth ... 主頁 《科言》電子版 精選文章第二十二期第二十一期第二十期第十九期第十八期 學生部落格 活動Instagram攝影比賽 訂閱網上訂閱學校訂閱（教師） 關於我們 更多特別鳴謝捐款及贊助海外升學指南(2014-2016) English FacebookInstagram 主頁 《科言》電子版 精選文章 第二十二期 第二十一期 第二十期 第十九期 第十八期 學生部落格 活動 Instagram攝影比賽 訂閱 網上訂閱 學校訂閱（教師） 關於我們 更多 特別鳴謝 捐款及贊助 海外升學指南(2014-2016) English 提交你的電郵地址，你將會免費收到每期「科言」。

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姓名 學校 電郵地址 提交 ByTerrenceTai戴煒庭 量子遙傳（quantumteleportation）的取名其實不太恰當；與大眾媒體或新聞標題給人們的印象相反（諸如〈首顆粒子從地球傳送到太空軌道〉（FirstteleportationfromEarthtoorbit）[1]等），量子遙傳與其說是傳輸，其實更加像傳真。

其道理跟在兩台電腦之間傳送資料十分類似，不過現在我們只是傳送粒子的資料而已。

更準確地說，過程中會在B點產生一顆與A點粒子相同的粒子，而從不需要移動A點的粒子。

這乍眼一看不算複雜。

所有電子本質上皆完全一樣，不可區分，雖然它們的量子態可能不同。

如果我們想把一顆電子從A點傳送到B點，我們只需要取得所有描述電子A的參數──譬如說，其位置、動量和自旋──然後改造電子B，使它的所有參數都與電子A相同。

遺憾地，這個方法違反海森堡不確定性原理（Heisenberg’suncertaintyprinciple）；這原理指出我們永遠都不能得知一顆粒子的所有物理特性1。

所有測量都無可避免地改變物體。

譬如說，我們要照亮一個物體，才可以看到它而知道其位置。

光由很微小、名為光子2的粒子組成。

儘管一顆光子的大小不足以影響宏觀的物體，當我們開始考慮微觀尺度時，光子所施的力就會變得越來越顯著。

因此，當我們用光子測量到一顆粒子的位置後，這顆粒子已經被光子彈走了。

圖一是一個在宏觀世界的比喻：如果我們只能以桌球撞擊足球的方式在暗室中找出足球的位置，我們可以想像，就算我們從桌球的軌跡計算到足球原本的位置，足球已經被撞到一個新的位置了。

這樣看起來，遙距傳送粒子資訊的方法似乎變得沒有可能。

圖一 幸好的是，我們可以在不需要知道粒子的所有資訊下傳送它的量子態，其關鍵在於名為量子糾纏（quantumentanglement）的特性。

相互糾纏的粒子A和B的特性可以被描述成一整個系統，我們可以只量度其中一顆粒子的特性，從而推斷出另外一顆的特性。

除此之外，更加奇怪的是粒子A和B可以相隔萬里，但我們對粒子A的施加的改變仍然會共鳴到粒子B──這就是愛因斯坦把其稱為「詭異的超距作用（spookyactionatadistance）」的原因。

想像一對有心靈感應能力、喜歡鬥嘴的雙胞胎，他們從不會就同一條問題給相同的答案──如果一個說是，另一個就會說不──這正是相互糾纏粒子的行為模式。

我們可以對其進行測量，蒐集這個系統的資訊，不過所有測量都無可避免地會引起更多的改變。

IBM的六個研究者在1993年設計的量子遙傳方法[2]，就是運用了量子糾纏作為基本原理。

以下是其簡略版的過程：如圖二所示，一開始Alice和Bob從一對相互糾纏的粒子A-B中分別獲得了一顆粒子。

Alice想把另一顆粒子C傳送給Bob，所以她把她的粒子A和C糾纏在一起，讓在遠處的B也會受到A-C系統影響。

然後，Alice對A-C系統進行一次測量，把結果傳送給Bob。

雖然數據本身不足以描述C，但Bob可以根據這些資料變換（transform）受到遙距影響的B，使其變成與原來C相同的量子態；而原來的C和與它相互糾纏的「孿生兒」A則在測量中受到破壞。

這就是Alice和Bob如何在不知道一顆粒子的量子態的情況下能夠「遙傳」它的方法。

圖二 自從在1998年一隊實驗人員成功示範量子遙傳[3]之後，它就成為了量子技術的重要一環。

它其中一個可能的應用是在安全量子通信方面[4]：不確定性原理防止黑客在接收者不知情的情況下竊聽量子通信，因為傳輸過程中的任何測量都必定會改變訊息。

最近實驗成功遙傳量子三元（qutrit），一個有三個狀態的系統（three-statesystem），而這是實現大規模量子互聯網的另一大步[5]。

在更大的規模上，我們能夠傳送人類嗎？科幻故事迷可能會感到失望，因為大多數主流科學家都認為，我們無法在可預見的將來克服當中的技術困難。

1如果讀者有接觸過量子力學的話，不確定性原理其實就是「波函數坍縮」（wavefunctioncollapse）的結果。

波函數會在觀察之下坍縮，所以部分資訊會在過程中損失。

感興趣的讀者可以參考第十六期的〈量子力學－你的雙眼能殺死薛丁格的貓〉，它是一個精彩的引入。

2你可能學過光是波的一種，因為它會產生干涉現象。

但光也是一種粒子，這是波粒二象性（wave-particleduality）的結果。

同樣地，感興趣的讀者也可以參考以上註腳中的文章。

參考資料： [1]FirstteleportationfromEarthtoorbit.(2017,July11).BBCNews.Retrievedfromhttps://www.bbc.com/news/av/science-environment-40573621/first-teleportation-from-earth-to-orbit [2]Bennett,C.,Brassard,G.,Crépeau,C.,Jozsa,R.,Peres,A.,&Wootters,W.(1993).TeleportinganunknownquantumstateviadualclassicalandEinstein-Podolsky-Rosenchannels.PhysicalReviewLetters,70(13),1895-1899.doi:10.1103/physrevlett.70.1895 [3]Boschi,D.,Branca,S.,DeMartini,F.,Hardy,L.,&Popescu,S.(1998).ExperimentalRealizationofTeleportinganUnknownPureQuantumStateviaDualClassicalandEinstein-Podolsky-RosenChannels.PhysicalReviewLetters,80(6),1121-1125.doi:10.1103/physrevlett.80.1121 [4]Giles,M.(2019).Explainer:Whatisquantumcommunication?MITTechnologyReview.Retrievedfromhttps://www.technologyreview.com/s/612964/what-is-quantum-communications/ [5]Ananthaswamy,A.(2019).TheQuantumInternetIsEmerging,OneExperimentataTime.ScientificAmerican.Retrievedfromhttps://www.scientificamerican.com/article/the-quantum-internet-is-emerging-one-experiment-at-a-time/ ByPostedin第十七期0AvgRating LeaveaReplyCancelreply Youremailaddresswillnotbepublished.Requiredfieldsaremarked*CommentName* Email* Website