如果無法「星際傳送」,量子隱形傳送有什麼用?

如果無法「星際傳送」,量子隱形傳送有什麼用?
圖片來源:《星艦迷航》劇照

我們想讓你知道的是

我們有可能因此而能在嚴寒一月裡的清晨被無痛的瞬時傳送到辦公室?我們何時能透過量子隱形傳送來旅行?

報導與編譯:林中一教授(國立中興大學物理系)

運用量子力學所揭諸的詭異「量子隱形傳送」特性:量子質點的「狀態」能在兩地間瞬間傳送,兩組研究團隊目前已經創下了量子隱形傳送的傳送距離記錄:其中一組是在加拿大卡爾加里地區用光纖傳送了光子的狀態6.2公里遠,另一組則在中國上海地區傳送了光子的狀態達14.7公里。

問:這兩個已經在《自然光子期刊》(Nature Photonics)被報導的進展,雖然最終可以發展出完全防駭的量子互聯網,但是量子隱形傳送除了這個之外,還能做什麼?我們有可能因此而能在嚴寒一月裡的清晨被無痛的瞬時傳送到辦公室?我們何時能透過量子隱形傳送來旅行?

答:非常抱歉,答案是「永遠不能」!其實是名字造成的誤會,量子隱形傳送與《星空奇遇記》(Star Trek)影集或其他科幻小說中所描述的瞬間傳送一點關係都沒有。影集所演的通常牽涉到物體經分解後,透過某種傳射方式穿過空間,然後立即且完美的在遠方某地重組成原來的個體。但是量子隱形傳送的過程裡完全沒有東西被分解或重組,而且沒有物質的傳送。更有甚者,其過程只對單獨的量子質點:光子、電子、原子等等有效。不論名字長短,量子隱形傳送和「真實的」瞬間傳送,除了名稱雷同,實質上毫無相同之處。

如果不能傳送物質,那麼量子隱形傳送能做些什麼?

與星空奇遇記裡送個隊伍到某行星出任務相比,量子隱形傳送能做的顯然稍遜野心,但更為精妙。量子隱形傳送能在不移動質點的情形下,將一個量子質點的「狀態」到瞬間傳送遠處的另一個量子質點。這有點像將一個鬧鐘表面的讀數,傳送到遠處的另一個鬧鐘的表面。

將一個鬧鐘的讀數顯現在另一個鬧鐘上很偉大嗎?

一個像光子的質點的量子態,是遠比鐘面的讀數要複雜而且脆弱。你可以單純的讀出鐘面的時間,並將之定在另一個鬧鐘上,但一般來說當你測量一個量子質點的狀態時,測量的過程會讓你無法避免地改變它。而且你無法單純的將一個量子質點的狀態「複製」到另一個質點上。量子力學的規則就是不容許你這樣做。但是你可以想個辦法在不去測量狀態的情況之下,將一個量子質點的狀態傳送到另一個質點那兒。沿用鬧鐘的類比,這就像在不去看第一個鬧鐘的讀數之下,將讀數傳送到另一個鬧鐘去。

這樣做行得通嗎?

這真的有點複雜。要想弄清楚,你需要先對所謂量子狀態有點概念。考慮一個光子──這是電磁波的基本元素,所以光子可以被「偏振化」使得其電場指向鉛直方向或水平方向。歸功於量子力學的怪異性,一個光子可以「同時」處在鉛直偏振與水平偏振這兩種狀態,而這兩種狀態分佔的比例進一步定義了光子的狀態,但這還沒完。

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圖片來源:wikimedia commons
電磁波示意圖(圖片來源:wikimedia commons)

要明確定義光子的狀態,除了鉛直與水平偏振是如何的混搭之外,還需標明第二個參數,就是類似一種角度的「相」。所以要完整說明一個光子的狀態,我們必須講清楚鉛直與水平偏振是如何混合的,還要加註光子的「相」。我們可以借助一個球甚或一個地球儀來給個圖像──球的北極代表純鉛直狀態而南極代表水平狀態。

於是光子的確實狀態就可由球面上的一點代表,那一點的緯度說明鉛直與水平偏振是如何分配的,經度就給定了「相」。這樣,舉個例子,赤道上每一點表示光子具有相等份量的的鉛直偏振與水平偏振,但是各點對應的「相」就不同了,需要更複雜的方法才能量出來。

那麼你為什麼不能直接把光子的狀態從球面讀出來?

你不能直接讀出光子的完整狀態,是因為對量子質點的測量是無法提供全面的資訊。若一個光子處在某個你並不清楚的狀態,你不能問那個狀態在球面的座標為何,你必須透過測量來瞭解。最簡單的情況是,光子的偏振是鉛直的還是水平的?你的測量結果只會是鉛直或水平其中之一,兩者出現的機率會依據兩種偏振的確實混搭比例表現出來。但是「相」的信息是完全不能在測量的結果中顯現。更糟糕的是,測量偏振的結果會把光子的狀態留在你量到的鉛直或水平偏振,而回不去兩種偏振混搭的原始狀態;量子力學把這種情況稱為「狀態塌縮」,亦即測量過程無可避免的干擾到原始的狀態──這是量子理論的核心概念之一。

一個光子的狀態可以由「布洛赫球」面上的一點來描述。該點的緯度(θ角)決定了水平與鉛直偏振的混搭比例。經度(φ角)則沒有古典的類比但卻是許多詭異的量子效應的根源。

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圖片來源:wikimedia commons
布洛赫球面(圖片來源:wikimedia commons)

但如果無法量得光子的確實狀態,那如何將之傳送?

那麼你需要借助多幾個光子,以及另一點量子力學的神秘成份。兩個光子可以透過一種稱為「糾纏」的方式聯繫起來。當兩個光子發生糾纏,個別光子的狀態是完全不確定的,但是兩者的狀態卻是密切相互關聯的。(譯者註:這有點像A、B兩個物件一個是香蕉,一個是橘子;你完全不知道A和B那個是香蕉,那個是橘子,但是你若看到A是橘子,那麼B就一定是香蕉。)

所以,在那個抽象的球面,我們完全無知於個別光子狀態對應的位置──在任何瞬間它們就是可以處在任何位置。但是不要管這一層個別狀態的不確定性,我們可以完全控制這兩個光子狀態的相互關聯。舉例來說,如果我們訂出光子間的關聯是它們都處於相同的狀態,那麼,當我們測量光子之一的狀態,使其塌縮到北緯400、西經800時,我們可以確定,不論相隔多遠,另外一個光子也會塌縮到同一個狀態。這種成對的狀態塌縮是量子隱形傳送的核心概念。

舉個例子來說明,如果有愛嬌和志明兩個人,以及在兩人中間的第三個人老查。現在愛嬌預備了一個光子要做隱形傳送──她選定了那個光子在抽象球面的座標,然後透過一條光纖把光子送給中間的老查。在同一個時刻,老查預備了一對相互糾纏的光子,他留了一個,把另一個送給志明。

現在,微妙的部分出現了。當老查收到愛嬌的光子時,他就對愛嬌的光子和他留下來的那個光子進行一種特別的雙光子「合併」測量。由於量子測量造成光子狀態的塌縮,老查的測量實際上迫使這兩個光子形成糾纏態(譯者註:這有點像阿匹婆和素珠原本不相識,有一天一同去店裡買醬油,老闆金城五同時向她們推薦新產品「F4帥哥牌」醬油,於是阿匹婆和素珠就彼此認識,有了關聯。兩個光子原本各有來源,各自處在無關的「單光子狀態」狀態。但被「合併量測」後,兩者就塌縮到某一個「雙光子狀態」,於是就有了糾纏。)

然而,當老查在完成他對那一對光子(一個是愛嬌送來的,一個是他留下的)的糾纏測量時,一件神奇的事情發生了:他送給志明的那個光子的狀態會瞬時塌縮到愛嬌光子的原始狀態。也就是說,當初愛嬌所預備的光子狀態被傳送到了志明那裡,即使志明位在離老查好幾公里遠的地方,好像他也參與這個實驗。

那麼為什麼是這樣?


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Photo Credit:TNL Brand Studio

我們想讓你知道的是

《國際大風吹|行動講堂》Ep2聚焦於戰爭中最大受害者──砲火下流離失所的人民,節目透過影像與聲音,帶領觀眾凝視全球戰爭中流離失所的人們,認識世界展望會長達數十年的難民人道救援經驗。

由李漢威、蔡尚樺聯手主持的直播節目《國際大風吹|行動講堂》第2集已於6月14日首度播出,本次特別邀請華人紀實攝影師張雍、台灣世界展望會會長李紹齡對談,帶領觀眾凝視戰爭中流離失所的人們,聆聽相遇與別離的故事,也讓觀眾認識世界展望會長達數十年的難民人道救援經驗,以及他們對於每場救援行動專業審慎的態度。這些因你我支持而促成的救援行動,都是為了重新牽起人際間被鋼鐵與火藥所摧毀的繫帶,世界展望會的工作人員則背負著託付與使命親臨現場,陪伴人們度過戰火下的煎熬苦難。

「我們不只看到《月球背面的逃難場景》,還聽到月球背面的哭聲,所以世界展望會從來沒有選擇,只有無條件的接納與支持。」

數據解析:你我未曾意識到的「月球背面」

俄烏戰爭打響至今已逾三個多月,因戰事被迫離家的難民人數也急速攀升。根據聯合國難民署統計,截至5月29日已經有超過680萬人自烏克蘭境內出逃至波蘭、匈牙利、羅馬尼亞等鄰近歐洲國家,國際移民組織(IOM)的一項研究也預估有將近800萬人在烏克蘭境內流離失所,總計相當於將近四分之一的烏克蘭國民因為無情戰事淪為難民。

你可能不知道的是,當烏克蘭戰事成為網路熱搜的同時,歐洲大陸遙遠的另一端也存在一群面臨相同困境的人們。根據聯合國難民署的統計數據,截至2020年底全球共有8240萬人被迫流離失所,受俄烏戰爭影響產生的難民僅占全球難民總數的18%。這意味著全球戰火不只存在於烏克蘭與俄羅斯之間,當我們揭開數據,就會發現其中還包括敘利亞內戰、阿富汗戰爭,以及中東或非洲部分地區長久性的區域武裝衝突。而更令人不忍的是,在8240萬流離失所的難民中,兒童人數占比竟高達42%,這些本與戰火紛爭最不相干的族群,卻需要承受這一切悲劇性的後果,甚至改變了他或她的一生。

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Photo Credit:節目來賓張雍提供
隨著天災人禍不斷發生,從數年前的敘利亞、阿富汗,再到近期的烏克蘭,難民遷徙事件的發生愈發頻繁,甚至連進行多年難民紀錄的來賓張雍都想不到,短短十多年內竟會連續看到如此規模的難民潮。

走入真實現場:救援最前線的世界展望會事工

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Photo Credit:TNL Brand Studio
根據世界展望會統計,敘利亞十年來戰爭的影響為例,已有超過6000名孩童喪生於戰火,也導致超過2百多萬名孩童無法上學或生活發生問題。

「在普遍國際的人道救援中,有一種描述是『戰爭已經逐漸敘利亞化』。」國際戰火衝突的時間拉長,不只剝奪以千萬計的孩子們在正常生活環境下溫飽、健康成長的權利,複雜的環境更讓兒童拐騙及販賣、女性保護問題隨之而來。

這些數字不只意味者數百萬家庭的不幸遭遇,更是戰爭對社會關係的撕裂創口;只有當我們直視數字時才會猛然驚覺,原來世界比想像的更加不平靜。特別來賓張雍也感慨道,這些數字正是驅使他走入現場的動機之一,他想要與人們面對面的互動,相處、攀談、接觸……藉此豐滿個體生命的輪廓,讓人真正為人,不再只是數據中的千百萬分之一。而就在奔走無數逃難前線,體會萬千生離死別後的某天清晨,他一如往常地在路上慢跑,突然瞥見有隻毛毛蟲正緩慢地在路上爬行,於是他停下來,小心翼翼地將其安置路旁,又跑了幾步以後,他猛然發現道路上竟然還有好幾十隻毛毛蟲。但因為能力實在有限,無法將所有毛毛蟲一一安置,最終,他只好繞道而行。

當這猶如寓言故事般的親身經歷與冰冷的統計數字相互對比,它給了我們更為震撼的啟示──除了網路媒體讓我們看到的景象外,還有更多我們看不見的地方,甚至是連攝影記者都難以進入的角落,裡頭還有更多的生命也如同烏克蘭的難民一樣急需救援,而僅靠我們一己之力能做的卻非常有限。面對遙遠且數量龐大的求助者,事實上是需要如同世界展望會這般更大、更有組織的團體,才能凝聚足夠的力量,給予急需救援的人們實質幫助。

例如今年的烏克蘭難民救援行動,除了協助安置順利出逃、在歐洲國家顛沛流離的難民以外,第一時間世界展望會也進入烏克蘭,給予前線無法逃出的人們最緊急的「物資救援」,包含水、糧食、燃料等;幾經輾轉後,部分烏克蘭人也在三月陸續回到故土,此時首當其衝的就是飲用水的處置,接著便是家園重建的漫漫長路。於是世界展望會也於同一時間向當地註冊進駐、開展地方資源網絡,協助難民重建家園,從最基礎的庇護所開始向外擴充,包括生活生計、孩童教育、婦女保護、家庭與心理治療等。

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難民遷徙的過程中,需要面對茫然未來的巨大壓力,造成心理甚至生理上的問題,因此世界展望會於烏克蘭救援過程成立兒童關懷中心,從遊戲中抒發內心擔憂。
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救援施行:世界展望會人道救援的執行策略

人道救援行動涵蓋甚廣,下至民生物資援助、上至個體關懷照護及社會系統建置,面對如此緊急又錯綜複雜的需求,世界展望會也嚴肅謹慎的對待,從前期評估到後期規劃都有完備的流程,系統性的把關所有環節,並於地方上累積更豐沛的區域網絡及行動量能,張開更多防護網,最後運用專業落實每份跨海祝福,建立關懷世界與孩子的正向循環。

一、漸進式評估與規劃
  首先審視對象於生理、安全、社會等各方面需求的急迫性,擬定不同階段的救援行動。優先項目為「挽救生命」,例如供給糧食飲水補給、遞送生活物資等,滿足難民生理上的基礎需求;接下來則以「陪伴、關懷」為進階項目,例如提供基礎的庇護所收容,或是成立婦女兒童專責關懷中心、教育機構,旨在建置完整的安全及社會生態,給予難民最大的協助。

二、服務團隊在地化
  世界展望會在工作執行時,總是會盡量組織在地的團隊,或與當地且具信譽的非政府組織共同完成,避免因各地不同的語言、文化、風俗民情而產生隔閡,也讓地方上資源及訊息網絡,能以最有效率的方式展開,如此一來才能使資源被誠信且有效的利用。

三、專業規劃與救援
  世界展望會於任何行動前,都會制定明確清楚的工作方向,包含救援目標、執行策略、救援對象數量規模、工作細目等,且前往前線的事工們都必須經過特殊的訓練,學習判別危險及緊急因應措施,如此一來提供當地適切妥當的協助。

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Photo Credit:TNL Brand Studio

重新牽起聯繫:Kindness is a universal language.

除了世界展望會,世上仍有許多人以自身力量,志願投入人道救援的服務。就像來賓張雍在羅馬尼亞邊境認識的當地志工,他們在邊境發放三明治、飲水等物資給滿載烏克蘭難民的遊覽車,但因為羅馬尼亞與烏克蘭的語言並不相通,這讓張雍感到十分好奇:「在援助的過程中不會碰上溝通障礙嗎?」男子搖了搖頭,笑著回答道:「Kindness is a universal language.」。

雖然剛開始並不完全瞭解這句話背後的意義,但經過接著的幾次物資發放,張雍目睹了好幾次相同的畫面──當志工將三明治交到人們手上時,人們的淚水就從眼眶裡泛出。於是我們都懂了,那是某種難以言說的、人與人之間珍貴而無可取代的聯繫。

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關於《國際大風吹|行動講堂》

由《國際大風吹》李漢威、金鐘主持人蔡尚樺聯手主持,每集《國際大風吹|行動講堂》直播節目將邀請重磅來賓,帶大家深入淺出、探討急需人們重視的國際議題,並呼籲各界付出實際行動,向需要幫助的人伸出援手,展開即刻救援。


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