量子糾纏的故事:從惡夢到美夢

自從1935年愛因斯坦與其合作者提出EPR悖論以來,有將近二十年的時間,物理學家無法有系統地將量子糾纏納入已知的量子力學的框架中,同時也與隱藏變數理論糾結不清。這樣的情況直到1964年貝爾提出他的著名的不等式才展開了全新的局面。約此同時(1961年)藍道爾也提出了他的著名的原理,來闡明資訊與物理之間密不可分的關係。自此以後,量子力學在新的量子資訊架構底下,藉由全新一代物理學家的努力,全面來探索量子糾纏的奧秘。透過這些新的發展,量子糾纏的奧妙幾乎滲透到物理學中各個重要的領域。更進一步,量子糾纏也廣泛地用於量子密碼通訊與量子計算的發展中,因此成為本世紀眾人所引頸企盼的新技術泉源。本次演講與討論就是希望與聽眾分享其中精彩的觀念與故事。

撰文:高英哲

愛因斯坦與波耳這兩位諾貝爾獎得主,在 1930 年代針對「量子糾纏」這個怪象的論戰,使得這個領域有二三十年的時間,無法建構起一個系統化的研究框架。直到 1960 年代貝爾提出不等式定理,並且獲得實驗證明之後,量子力學才總算撥雲見日,在物理學各個重要領域裡大開大展。本講次為聽眾整理這段量子力學發展的坎坷之路,並點出科學研究突破瓶頸的關鍵所在。

量子糾纏的相關爭論,可以追溯到湯瑪斯.楊 (Thomas Young) 的雙狹縫干涉實驗;用現代的馬赫-曾德爾干涉儀 (Mach-Zehnder interferometer) ,也會做出相同的結果。這個實驗的意涵是,你若把光看成是一種波,它在通過兩條狹縫時會相互干涉,在探測屏上顯現出亮紋跟暗紋;倘若把光看成是一種粒子,它只能在兩條狹縫裡選擇一條行進。理論上光子各走各的,關閉其中一條狹縫,應該不會影響到走另一條狹縫的光子;然而實驗結果卻並非如此,當兩條狹縫都開放時,探測屏上仍然會出現亮紋跟暗紋。波耳領導的哥本哈根學派,接受光子具有如此怪異的量子特質,稱之為「波粒二象性」 (wave-particle duality) 。

愛因斯坦並不接受這個有點滑頭,「它有時像波,有時像粒子」的說法,他在 1935 年發表了大名鼎鼎的 EPR 悖論 (Einstein-Podolsky-Rosen paradox) ,駁斥量子怪象這套說法。愛因斯坦認為即使不用到量子力學,也能解釋不為人知的隱藏變數,控制機率分佈的現象;因此量子力學雖然稱不上錯誤,但是完備性卻令人質疑。有趣的是這篇論文只有短短四頁,但是林豐利老師每次拜讀都看不懂,直到有一天才恍然大悟:那是因為愛因斯坦雖然質疑量子力學,但他卻用量子力學的語言進行推論,對於量子力學內容已經很熟悉的讀者,很自然地會順著量子力學的邏輯,試圖理解這篇論文;到最後愛因斯坦推翻量子力學的論述時,讀者就會突然搞不懂他在說什麼。

EPR 悖論所說的,就是後來被薛丁格稱之為「量子糾纏」,兩個粒子的量子態「無法分離」的現象。然而 EPR 悖論的主張卻必須用到一個在哲學上模擬兩可,聽起來比波粒二象性還要來得奇怪的「定域實在論」 (local realism) ,再加上以當時的技術,還無法操縱少數幾個量子,根本無法進行實驗,因此除了戴維.玻姆 (David Bohm) 等少數幾位物理學家以外,當時的主流物理學界,可以說沒有人認真看待量子糾纏這套理論。

這個技術瓶頸要直到 1964 年,篤信局部隱藏變數理論 (LHV) 的約翰.貝爾 (John Bell) ,提出著名的貝爾不等式之後,才為量子力學提供了一個新的架構。法國物理學家阿蘭.阿斯佩 (Alain Aspect) 花了十年工夫,用實驗驗證了貝爾不等式,從此量子力學才得以正式擺脫 EPR 悖論的「糾纏」,並且衍生出量子計算以及量子加密等等新技術。

雖然當阿斯佩當年告訴貝爾,他正在進行貝爾不等式的實證研究時,深知實驗工作不易的貝爾,甚至曾經半開玩笑地問他「那你有終身職糊口嗎?」,但倘若沒有阿斯佩不折不撓的長期投入,量子力學的發展瓶頸,也許還得再卡上另外一個二三十年。我們從量子糾纏的這段往事,也能夠再一次看到物理學實事求是的精神,以及理論與實驗互為表裏的本質。

(已被閱讀 8,641 次,今天被閱讀 2 次)
分享
日期: 2017/5/23(二) 主題: 量子力學的故事 講題: 量子糾纏的故事:從惡夢到美夢 地點: 臺大思亮館國際會議廳 活動照片: 坐滿人的照片好精彩