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量子糾纏與量子通訊

中國在2016年發射首顆量子通訊衛星—墨子號。法新社

量子霸權是未來十年以科技為導向的國家間所追求的聖杯,而量子運算及量子通訊為霸權中的兩大訴求。這兩者的共通性都基於兩個奇特的量子現象,也就是量子疊加及量子糾纏。這兩種量子現象,與我們熟知的因果律相悖離。量子疊加在我們那個年代量子力學的教科書都有闡述,也就是量子的世界中,一個因會產生好幾個的果,會出現哪一個果是一個機率的問題。愛因斯坦是無法接受這種機率性的假設,他說 「上帝是不會擲骰子的。」

量子糾纏就更勁爆了,量子糾纏最基本的定義是,兩個以上的基本粒子可以用一個方程式來加以描述。經歷過糾纏的兩個粒子,就如同是生命共同體,不管是之後身處在不同的時空,只要知道其中一個粒子的狀態,我們就立即能知道另一個粒子的狀態,簡直就是天涯若比鄰。換言之就是得知A粒子的因,就能馬上知道B粒子的果。因跟果是可以同時發生在不同的時空中,甚至在某些情況中,果有可能會影響到因,愛因斯坦稱量子糾纏為「鬼魅般的遠作用力。」

因果律的維繫在相對論的詮釋就是光速了,宇宙間任何一種作用力或訊息的傳遞,所發生及產生結果的時間,都不會超過光速。而量子糾纏的所維繫的作用力卻是超越光速的,這也使得因跟果可以同時發生,甚至於由果導因。我們在學時的量子力學教科書並沒有討論到量子糾纏,因為相關的實驗證實及理論架構,都是在80年代後所產生的。量子糾纏就如同平行或多重宇宙中的蟲洞,可以在不同的時空中,過去、現在及未來間來回旅行。

量子運算的優勢在於能夠在海量中的樣品中,快速地找出及歸納最適合的選擇,就如同在戈壁沙漠中,很快地找到你所要的一顆沙子。現行電腦的運算方式,是一顆沙子一顆沙子,逐步的比對。量子運算所使用的糾纏粒子為電子,電子具有磁矩,因此可被視為會自己旋轉的電荷,而磁矩具有方向性,所以就定義出自旋往上及往下的物理量。要發生糾纏的電子,需要在極低的溫度下且近距離,因此不適合於傳輸的用途。

量子傳輸是利用光子作為糾纏的粒子,光子不帶電荷沒有磁矩,但光在行進時,可以定義出水平及垂直兩個偏極化的方向,也就是兩個物理量。糾纏的光子也不需要在低溫產生,只需將雷射光經過硼酸鋇這類的非線性晶體,就可以產生一對的糾纏光子,只是每次發生的機率可能是百萬分之一。中國在量子通訊領域是領先的,幾年前所發射的墨子號人造衛星,就成功地向地面的兩個接受站,分別發射出糾纏過的光子。

量子通訊就是利用一系列糾纏的光子,分別傳輸到A/Alice與B/Bob兩個地點或個人,也就是兩本糾纏過的密碼本。這兩本密碼的內容如何,完全沒有人知道,但是一旦在A打開了密碼本,也就是偵測出光子偏極化的方向,隨即在B處的密碼本,就會根據A的內容而被確定。換言之就是在當下產生了宇宙間唯二且可互通的密碼本,所以外人是無法從中截取相關訊息。但是問題來了,密碼本的內容是隨機所產生,如果A想要傳一組訊息給B,A還必須利用現行的通訊系統,傳一系列的更正碼給B,得多一道程序才算完成。雖然更正碼有可能被截取,但是手中沒握有這糾纏過的密碼本,得到更正碼的資訊也沒有用。

現行的加密通訊技術,利用大質數乘積的分解,可以達到在使用現行電腦運算系統,需耗費相當長的時間才能夠破解的功能。但是等到量子運算愈來愈成熟,要破解這密碼所需的時間,會大幅度的縮短。而量子通訊就成為防禦量子電腦的最佳武器,也就成為以子之盾守子之矛了。量子運算是有其必要性,但是量子通訊是否真有其需要,個人是有點保留。

量子糾纏就像是量子力學中,波跟粒子的雙重性,無法讓人理解。這些都是在微觀世界中,所產生的奇特物理現象,無法以我們平常認知的語言來描述。愛因斯坦曾表示,他在思考量子力學的時間千百倍於相對論,但是他還是無法理解。量子力學大師波爾曾說:「科學家的任務在於如何講述自然,而不是揭露自然的真實本質。」所以人類面對自然界,不僅是渺小,態度上更要謙虛。

曾任中央大學電機系教授及系主任,後擔任工研院電子光電所副所長及所長,2013年起投身產業界,曾擔任漢民科技策略長、漢磊科技總經理及漢磊投資控股公司執行長。