開啟多人量子通訊的實驗
國立臺灣大學應用物理研究所 劉伊修編譯/國立臺灣大學物理學系 王名儒教授責任編輯

編譯來源：Experiment opens the door to multi-party quantum communication

Credit: Image courtesy of University of Waterloo

量子金鑰傳輸(QKD)

想像一下你有一個很機密的資訊要傳送給遠方的朋友，為了避免機密資料外洩，你會做什麼事來防止呢？從過去到現在，人類大部份都是使用密碼來保護這些資訊，特別是在網路的時代，密碼學更是重要。但是傳統的密碼學曾有一個未解的難題：要如何把密碼給對方使得對方能開啟我傳的檔案呢？用網路傳密碼嗎？那這個密碼要用什麼保護呢？相信您已經了解，首先必須要使雙方都有第一組密碼，但是第一組密碼不能用網路傳，因為如果第一組密碼被竊聽，那麼後面的一切資訊都會被攔截。量子金鑰傳輸(Quantum Key Distribution)解決了這個難題。它使用了物質的量子性質使得我們可以安全地傳送鑰匙而不用派密使或親自轉交密碼。這項重要技術的物理基礎就在於量子糾結。

在量子科學的世界，Alice和Bob已經跟對方說話很多年了，而Charlie在幾年前也想同時加入對話。滑鐵盧(Waterloo)大學的量子計算研究所(IQC) 的物理學家們宣佈首次實現了傳遞三個糾結在一起的光子到三個相距幾百公尺遠的地方，同時也證明了對於超過兩個光子的糾結，量子非侷域性質依然存在。這實驗的發現表示在嚴格的類空間分隔條件下(亦即發生在兩個不同時間、地點的事件，其空間距離和時間距離的比值大於光速)，量子訊號可以超光速傳遞。這項成果已於近期發表在Nature Photonics，也代表多人量子通訊的可能性已大大提高。 Continue reading →

重力波：宇宙真的曾經暴脹─郭兆林教授2014/4/1學術演講側寫
國立臺灣大學應用物理研究所 劉伊修撰文/國立臺灣大學物理學系 王名儒教授責任編輯

每當仰望星空，你是否曾經思考過這些星星的後面是甚麼？這黑暗的背景是無底的還是有限的呢？

宇宙學家正在找尋答案。

西元1929年天文學家哈伯對星系做光譜攝影時，推論遙遠的星系皆離我們遠去，而且遠離的速度大致與地球的距離成正比，稱之為哈伯定律。這個現象可由一接近等速膨脹的宇宙來解釋，如果依此推論，那麼以前遙遠的星系和我們是非常近的而且溫度比現在更高，這就有點類似高溫的氣體膨脹其溫度會下降一樣的道理。

宇宙背景輻射就是早期的宇宙的餘熱所發出的電磁波。1965年，天文學家彭齊亞斯和威爾遜(Arno Penzias and Robert Wilson) 從自製天線接收到的無線電訊號中發現無法消除的雜訊，後來 證實就是宇宙背景輻射。

宇宙大霹靂理論認為時間、空間、能量、物質有一個起始，是一個無限密、無限熱、無限小的狀態，稱它為奇異點(singularity)，之後宇宙就開始膨脹，它推測宇宙年齡約137億年。而光的速度乘上宇宙年齡就是我們可以看到的最遠的地方。因為再遠一點的東西發出的光線，宇宙年齡還不夠讓他們到達我們的望遠鏡。這條界線稱為視界地平線(visible horizon)。但是更遠的地方有物質嗎？答案是有的。二相對地球反方向且接近地球視界地平線的星體必互相看不到對方，同理可知在我們的視界地平線外必仍有東西存在。由於從地球上觀測到的宇宙背景輻射，在全天的分佈上十分均勻，讓我們相信視界外及視界內的物體都應該是從同一點產生的。這不禁使人懷疑，為何有些東西會跑出視界地平線呢？

暴脹理論(inflation)能提出這個問題的一種解釋。暴脹理論(跟大霹靂理論不完全一樣)相信宇宙開始後的約10的負34次方秒時發生了一個超光速的膨脹，這暴脹期間宇宙從一個原子大小變到一個星系的大小。這次暴脹理論也把很多物質推出視界地平線外。聽到超光速或許會覺得不可思議，但是2014年三月底，有一個團隊宣布他們觀測到跟暴脹有關的重力波。

2014年4月1日下午兩點，筆者到臺大物理系凝態館聽演講，座位已經爆滿，連走道都擠得滿滿的，大家都是來聽史丹佛大學物理教授郭兆林的演講。筆者坐在攝影機的後面看著錄影人員準備就緒。一開始主持人介紹郭教授畢業於臺大物理系以及其他的經歷。

這是ㄧ場學術性的演講，現場有許多外籍人士。郭教授用英語先簡單地用幾張投影片介紹宇宙背景輻射、暴脹論、和重力波，並且解釋為什麼重力波在宇宙背景輻射屏幕上所照成的印記能證實暴脹論。宇宙學家相信只有暴脹能加強宇宙早期的重力波，如果宇宙的早期的重力波能被驗證，這一定可增強人們對暴脹論的信念。 Continue reading →

鑽石讓量子電腦的夢想再進一步
國立臺灣大學化學系林震宇編譯/國立臺灣大學化學系鄭原忠助理教授責任編輯

編譯來源：日本科學技術振興機構（JST）2014年1月30日

有別於傳統的半導體電子元件，使用量子系統實現的計算被稱作量子計算，由於量子不像數位半導體只能記錄0與1，可以同時表現多種狀態，故能在一次的運算中處理多種情況，有可能大幅度地超越傳統計算的效能，因此被認為有相當的發展潛力。

量子計算的基礎建立在量子信息的保存及處理上，但相較於傳統的數位信息，量子信息對外部的干擾非常敏感，因此必須在處理信息的過程中進行量子錯誤的修正。以往在量子錯誤的修正上主要面臨了兩個難題：

一、量子位元的狀態可以是 $$|0>$$ 和 $$|1>$$ 這兩個狀態中的任意組合，
即 $$\alpha | 0> + \beta | 1 > (|\alpha|^2+|\beta|^2=1)$$，而 $$\alpha$$ 及 $$\beta$$ 的組合可以有無限種；
二、若為了複製信息而對量子位元進行測量，將使量子位元成為 $$|0>$$ 或 $$|1>$$ 其中一種狀態，而無法達成複製(不可克隆原理)。

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科學家發現決定性證據 支持長期受爭議的宇宙膨脹理論
國立臺灣大學科學教育發展中心鄭文撰文/國立臺灣大學科學教育發展中心責任編輯

宇宙的生成，生命的誕生，向來是科學、哲學，甚至是宗教學上讓人探究的議題。數百年來，在科學界中，多有天文物理理論輩出，然而卻始終因缺乏足夠的科學證據，沒有一個單一理論能完全排除其右。而在臺北時間3月18日凌晨時分，美國麻州哈佛史密森天體物理研究中心的團隊，發表震驚世人的研究成果，他們表示由BICEP2天文望遠鏡長期在南極觀測的結果，強烈地支持「宇宙膨脹理論 (cosmic inflation theory)」，其證據不僅充分，並解決了一些長期使天文物理學家困惑的謎團。

十公尺長的BICEP天文望遠鏡觀測到「重力波」，為支持宇宙膨脹理論的最有力的證據
(Photo: Keith Vanderlinde, National Science Foundation)

50年前，當時的科學家曾宣布他們發現了所謂「宇宙膨脹理論」的證據，那就是「宇宙微波背景輻射 (the cosmic microwave background)」，即宇宙在經過大霹靂 (Big Bang) 的冷卻後所產生的能量，也是當代宇宙天文學所有理論背景的依據。哈佛史密森天體物理中心 (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics) 的研究團隊，在長期觀照「宇宙微波背景輻射」的能量波後，在其溫度和物質分布中發現了彎曲的形狀，確認所謂「重力波 (gravitational waves)」的影響和存在，由於在愛因斯坦的理論裡，證明「重力波」是宇宙膨脹的一種特徵，因此這個發現，可以說是科學家在長年的尋覓中找到了有力的證據來支持「宇宙膨脹理論」。 Continue reading →

大爆炸紀念日：六個宇宙大爆炸的迷思
高瞻計畫特約編譯葉承効/國立臺灣大學物理學系王名儒教授責任編輯

編譯來源：Big bang birthday: Six mysteries of a cosmic bombshell

西元1964年，兩位來自美國新澤西州貝爾實驗室的工程師，試圖架設一個更好的天線，結果卻意外揭開了宇宙的起源。阿諾‧彭齊亞斯（Arno Penzias）和羅伯‧威爾森（Robert Wilson）所接收到的無線電嘶嘶聲，為第一次證實宇宙微波背景輻射（CMB）的信號。這個遺留輻射（relic glow）源於大爆炸，並散布在整個宇宙。

這個發現證實了大爆炸理論，也是現今對宇宙起源的最佳解釋。彭齊亞斯和威爾森也因這項發現而獲得了諾貝爾獎。在五十年後的今天，宇宙微波背景輻射已經幫助我們了解宇宙的年齡、形狀和組成，以及相關的發展細節。但幾乎與每一個新發現一樣，隨宇宙微波背景輻射而來的是更加令人傷腦筋的新問題。

以下是由大爆炸研究引發，且始終沒有解答的最大謎團中的其中6個：

1.為什麼早期的宇宙如此平穩？

起初，宇宙微波背景輻射的天體圖看起來穩定得令人難以置信。在大爆炸後，物質應該四處飛散，並形成不規則的團塊。但是宇宙微波背景輻射顯示宇宙仍呈現極度均勻的狀態。

1980年代，科學家提出了我們現在稱為「宇宙暴脹」（inflation）的概念：宇宙在大爆炸後很短的時間內，呈指數函數型式的快速成長。

近來，宇宙微波背景輻射的天體圖也證明了部分相關的預測。即使理論是正確的，我們仍不能詳細了解宇宙暴脹的起源、何時開始的以及它為何停止。＝任職於麻薩諸塞州劍橋市哈佛－史密松天體物理中心（Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics）的阿維．勒布（Avi Loeb）表示，宇宙暴脹引發了稱為「重力波」（gravitational waves）的時空波動，而這些波的特徵將會出現在未來的高解析度宇宙微波背景輻射的天體圖。

2.在大爆炸之前，宇宙有任何東西嗎？

宇宙暴脹抹滅了各種在迅速膨脹前的蛛絲馬跡，所以我們無法藉由仰望天空來回答這個問題。此外，宇宙起源的高溫與高密度，也使我們無法用古典方程式來描述那時宇宙的擴張及演化。 Continue reading →

失重(weightlessness)
國立臺灣大學應用物理博士班張智豪

圖片來源：維基百科

很多人以為在外太空失重是因為外太空離地面太遠，所以感受不到地心引力。其實這樣的說法並不對，以大部分衛星的高度來說，地球的地心引力還沒消失。
太空人在衛星上感受到失重的樣子， 是因為地心引力剛好全拿來當做向心力了。

當太空人在做圓周運動時，我們可以選擇使用一個與地球一起自轉的加速座標系來描述他們見到的運動，以這個座標系去寫下物體的運動公式時，作用力必須加上一些虛擬項 。(在假想力、非慣性座標系、以及伽利略的相對性原理這三個條目中，均有提到加速座標系是非慣性座標系。在以非慣性座標系中 寫下的物理定律 ，會多出一些虛擬項。)

在這裡 ，圓周運動座標系 (也就是太空人的座標系) 必須要增加一項離心力的虛擬項，所以原本還存在的地心引力 ，在圓周運動座標系裡頭看來， 就消失掉了。原因就是因為向心加速度的虛擬項剛好把地心引力加速度那項給抵消。

在這宇宙中其實還有很多萬有引力並沒消失，但加速座標系觀察者卻感覺好像失重的樣子的例子。例如我們好像感覺不到太陽的萬有引力，但其實是因為我們正在繞太陽轉，繞太陽所需的向心加速度抵消了太陽對我們的重力加速度。

我們的太陽系也正在繞著銀河中心轉，天文學家認為銀河中心可能有個大黑洞 ( 黑洞擁有超級大的質量 )，所以即使銀河中心的大黑洞離我們很遠，但它對我們依然有著萬有引力，
不過因為我們處於加速運動座標系，所以我們因向心加速度抵消了黑洞重力加速度，而感受不到黑洞對我們的吸引力。 Continue reading →

教材下載連結

1.宇宙學示範教學(陳義裕教授)

http://youtu.be/Bypi-EQhOe4

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瓦特（Watt）
國立臺灣大學物理系李宛儒

瓦特（Watt）是功率的國際單位，是SI制中的一個導出單位（註一）。做功（work）的速率，也就是單位時間內的能量（energy）轉換量，稱為功率（power）。換句話說，功率是轉換能量與時間的比值。

能量是純量，因此由能量導出的功率也是純量。能量的國際單位是焦耳，瓦特的定義便是（焦耳／秒）。

「瓦特」是為了紀念改良蒸汽引擎效率，進而促成工業革命的英國工程師瓦特（James Watt, 1736-1819）而命名。1960年，被國際計量大會採用成為國際標準單位中的功率計量，簡寫為：\(W\)。

瓦特改良的蒸汽機（圖片來源：維基百科）

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