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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【影音】整理數十萬張空拍影像,就像一場馬拉松:看見・齊柏林基金會「數位典藏」計畫

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Photo Credit:TNL Brand Studio

我們想讓你知道的是

「透過影像為環境發聲」是齊柏林畢生在做的事,也是看見・齊柏林基金會要接力做下去的事。打造一座把台灣存起來的影像資料庫,讓齊柏林留下的影像資產得以傳承世代,「數位典藏」計畫需要你我一同支持響應。

2017年,《看見台灣》的導演齊柏林匆匆離開這個世界,留下無數珍貴空拍影像資產;這些跨越1990年代到2017年、長達25年台灣自然與人文地景變遷的真實紀錄,不只保留了台灣之美,更在學術研究、環保倡議和環境教育上有著無可取代的價值。然而,龐大的影像素材需要經過「數位典藏」才能被有效應用,因此「看見・齊柏林基金會」成立的初衷,就是為了承接數位典藏的使命,讓齊導畢生的心血,能夠世代傳承,發揮永續的影響力。經過兩年的摸索,基金會最終研擬出最合適的數位典藏計畫,不只將齊導作品數位化、分類歸檔,更要建置線上影像資料庫,並將繼續記錄台灣的使命傳承下去。

根據看見・齊柏林基金會統計,齊柏林導演在空中拍攝超過2500小時所累積的影像,約為10萬張空拍底片、50萬張數位照片,上千小時的空拍影片;要為如此龐大的影像資料建檔與整理,勢必耗費許多金錢、時間與人力。不過,只要能集結眾人之力,這一場數位典藏人員及專業志工接力的馬拉松,將會是美麗而撼動人心的一段旅程。

「數位典藏」做什麼?

數位典藏(digital archive),意思是將有保存價值的實體或非實體資料,透過數位化(諸如攝影、掃描、影音拍攝、全文輸入等)與加上屬性資料等詮釋資料(Metadata),建立數位檔案的形式,作為永久保管儲存。

而看見・齊柏林基金會的數位典藏計畫可分為三大工作線,分別為:

  • 傳統底片組:挑選底片→掃描成數位檔案→建立屬性資料→歸檔
  • 數位照片組:挑選照片→建立屬性資料→歸檔
  • 空拍影片組:挑選影片→建立屬性資料→歸檔

除了要將齊導留下來的影像作品數位化歸檔,數位典藏計畫還包括改版建置「iTaiwan8影像資料庫」,也就是建設完整的線上影像資料庫系統,讓齊導作品更便於靈活運用,也能讓更多世人看見。

飛行2500小時累積的空拍影像,怎麼整理?

  • 整理底片/數位掃描

數位典藏組專員詹宇雯的工作,是負責整理傳統底片。即便存放在防潮櫃中,傳統底片仍面臨逐漸老化褪色的壓力,需要與時間賽跑進行數位化保存;然而大多未經篩選的10萬張底片,有些因為直升機震動導致些微的畫面模糊,也有因飛行路線連續較重複的地景構圖,而詹宇雯的其中一項任務,就是拿著放大鏡一一檢視精挑,並標註定位和勘誤照片資訊。

「整理底片最常發生的問題就是人工出錯,因為以前留下的資料可能是齊導或其他志工整理出來、用手寫的,貼紙可能貼錯或資料寫錯。」詹宇雯說起某次經驗,當時有一張台北車站的照片被貼了很多年份,為了找出正確年份,她試圖辨識照片裡招牌跑馬燈上的氣溫、股市市值等資料,交叉比對推斷出正確年份。雖然偶有這種偵探辦案一樣的趣事,但大多數時候是耗費專注度與眼力的過程。

完成底片挑選的階段,接著進到底片掃描數位化。然而,這步驟並不容易,除了整體的影像品質控制與檔案管理,齊柏林導演留下的底片最遠距今至少11年,老化褪色的底片容易出現色彩偏誤,須進行色彩還原,再修掉畫面上的髒點、存成解析度高的數位影像才算完成。

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Photo Credit:TNL Brand Studio
整理傳統底片的過程,必須拿著放大鏡一一檢視精挑,標註定位和勘誤照片資訊。
  • 建立屬性資料

所謂「建立屬性資料」,其實就是為影像添增各種描述紀錄的資訊,有了這些資訊,龐大的影像資料才能被有效率的搜尋、管理。數位典藏組副組長陳宣穎表示,以齊導拍攝的影像為例,包含:拍攝主題、地點及詮釋地景的關鍵字都屬於此範疇;而其中投入最多時間的便是「定位」和「建立關鍵字」這兩項任務。

「定位」指的是找出拍攝主體所在地點和座標,有時可透過既有的飛行軌跡紀錄來推測,但更多時候是在沒有軌跡紀錄的狀態下,憑藉地理知識及照片上的蛛絲馬跡判讀位置。如果影像拍攝年代久遠,或是地景變化很大,就需要運用更多歷史圖資或佐證資料去搜索、推論。

「我們要一張一張照片判讀,建立屬性資料。像是早期的傳統相機沒有定位功能,常常看到照片中只有一大片山稜線,此時我們就要仔細比對地圖、衛星影像,想辦法查找,盡可能貼近正確。」陳宣穎說。

「建立關鍵字」看起來似乎相對輕鬆,然而事實上,光是決定有哪些關鍵字可以使用,就是一門功夫。第一步必須辨認影像中的景物,例如一塊農田種植的是什麼作物,就必須蒐集其他資料輔助判斷;其次,由於空拍照片尺度不一,在畫面中佔比多大的景物需要設立關鍵字,也需要經過討論訂定規則;最後,還必須從使用者的角度思考,依據一般人的搜尋習慣設立關鍵字。

因此,在建立屬性資料的過程中,看見・齊柏林基金會也特別諮詢多位專家,共同研究規劃出適合台灣空中影像的關鍵字建置邏輯,並以此基礎進行分門別類、校正檢核,確保影像被妥善歸納及運用。

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Photo Credit:TNL Brand Studio
建立屬性資料時需要大量對比地圖,並依照訂定好的規則建立屬性資料,使歸納邏輯一致。
  • 影音資料典藏

相較於照片整理,動態影片的典藏工程更為多元複雜。首先,要針對近千小時空拍影片進行盤點,接著進行特殊格式轉檔與備份,再逐步建立邏輯編碼、標示檔案管理方式,以推動後續屬性資料建立。

「影片整理最大的兩個挑戰,其一是影片內容橫跨的範圍很大,導演可能是台中起飛、屏東降落,因此要去判斷每個影片節點的地景定位;其二是飛機上升的垂直範圍很大、晃動又劇烈,有時候會遇到『果凍效應1』致使內容失真。」影音製作組專員鄭宇程說明,由於各時期的影片拍帶檔案格式、影像內容品質、影片時長都不同,大大增加了管理建檔難度。

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Photo Credit:TNL Brand Studio
影音資料的典藏,需要讀取大量的檔案,逐格檢視、分段建立屬性資料、調色等。

加入數位典藏的馬拉松,傳承接棒台灣之美

從一步步定義操作流程、統一色彩管理語言、購置影像處理設備等,到培訓志工與實習生、讓人力支援一步到位、避免巨量資料的協作過程中出現錯誤,都是數位典藏計畫的範疇。多元內容創意部副總監王俐文表示,「數位典藏」四個字說來簡單,但過程繁複龐雜,需要所有人一致的專注、耐心、細心、以及熱忱。

「iTaiwan8影像資料庫」作為看見・齊柏林基金會數位典藏計畫的目標之一,改版上線只是第一步,接下來除了完成龐大影像資料的典藏,更大的挑戰是要繼續記錄台灣,讓影像不會只停留在2017年。

「透過影像為環境發聲」是齊導畢生在做的事,也是基金會要接力做下去的事。而數位典藏計畫,就是齊導生命的延續,也是基金會動力的源頭。要打造一座把台灣存起來的影像資料庫並不容易,看見・齊柏林基金會亟需各界的支持,共同建置屬於台灣最美的影像資料庫。讓我們一起守護齊柏林留下的影像資產,讓土地脈動的珍貴影像得以傳承世代,發揮更多價值。

捐款支持看見・齊柏林基金會,透過影像為環境發聲


註1:果凍效應(rolling shutter)是數位相機CMOS感光元件的一種效應,當使用電子快門來拍攝高速移動的物件時,原本垂直的物件拍攝出的畫面卻為傾斜甚至變形。(資料來源:維基百科)


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