為什麼「量子纏結」這種超距作用可以創造出「時空」的結構?

為什麼「量子纏結」這種超距作用可以創造出「時空」的結構?
Caltech Ligo 模擬黑洞合併影片截圖

我們想讓你知道的是

科學家認為,時空與其說是一種基本存在,反而更有可能藉由量子位元的交互作用而「產生」。換言之,如果科學家把同地點的粒子與另一粒子相互纏結,是否就能創造出時空?答案是,不行。因為這種量子纏結不牽涉空間。而關於量子纏結的作用機轉、運作過程,物理學家尚須更多研究。

文:莫斯柯維茨(Clara Moskowitz)

莎士比亞曾在劇作中寫到「世界是座舞台」,而物理學家也同意。只是物理學家認為舞台剛好就是整個空間;對他們來說,空間有時看來僅是各種作用力與場發生交互作用的背景。一般而言,空間並不是由任何東西所構成。

科學家已經開始懷疑這個概念。空間(在廣義相對論中稱為「時空」)可能由資訊的微小片段所構成,這些小片段的交互作用創造時空(spacetime),以及其相對應的特性,例如空間中的曲率,進而產生重力。這個想法如果正確,不但可以解釋時空的概念,也可能協助物理學家建立引頸翹望的量子重力理論,也就是結合廣義相對論與量子力學這兩個相當重要卻難以相容的理論。這種可能性最近點燃了數百位物理學家的熱情,在名為「來自量子位元」(It from Qubit,,IfQ)的計畫支持下,他們大約每三個月聚會一次。

IfQ計畫中的「it」是指時空,量子位元「qubit」(唸做cue-bit)則類似電腦的「位元」,代表資訊的最小單位,只不過是在量子尺度。這項計畫的核心想法:宇宙由一些基礎程式碼所構成,如果可以破解這些程式碼,物理學家將能理解宇宙大尺度事件的量子本質。IfQ於2016年7月在加拿大圓周理論物理研究院舉辦暑期學校,主辦單位原先預計約90個人報名,不過報名人數太多,最後收了200位參加者,同時在其他大學舉辦六場遠距會議。美國普林斯頓大學的博士後研究員英格赫特(NettaEngelhardt)並沒有正式加入IfQ,但是參加過其中幾場會議,她表示:「我想這是建立量子重力理論的好機會,即使不是最有希望的選擇。這項計畫正要起飛。」

由於IfQ牽涉量子電腦與時空及廣義相對論兩個領域,以往很少合作的量子資訊科學家與高能物理及弦論專家便能共同研究。大約一年多前,支持科學與數學研究的私人機構西蒙斯基金會贊助IfQ成立,提供物理學家研究及召開相關研討會的機會。之後,科學家對這個題目的興趣逐漸高漲,接連舉辦的研討會也吸引更多研究人員參加,其中包括西蒙斯基金會贊助的正式成員,以及一些純粹對這個主題感興趣的研究人員。IfQ成員吉田紅(Beni Yoshida)同時也是圓周理論物理研究院的博士後研究員,他表示:「這項計畫著重一些非常重要、但是非常困難的問題。合作很重要,單槍匹馬無法解決問題。」

計畫之外的科學家也注意到這項發展。美國哥倫比亞大學的弦論專家格林恩(Brian Greene)沒有參加IfQ,他表示:「如果借鏡量子資訊理論的方法真的符合預期,很可能將引發我們對時間與空間認識的革命。這非常重要,而且令人超興奮。」

量子纏結織出時空布幕

無論時空是數位的,或是由其他事物構成,這種概念都脫離了廣義相對論的傳統圖像。

新看法認為,時空與其說是一種基本存在,反而更有可能藉由量子位元的交互作用而「產生」。究竟這些位元由什麼構成?又包含什麼資訊?科學家目前仍不明白,有趣的是,他們似乎並不感到困惑。也參與IfQ的史丹佛大學博士後研究員史溫格(Brian Swingle)表示:「重要的是位元之間的關聯,而不是位元本身,各成份之間的關聯才有趣。關鍵不在於成份是什麼,而是它們怎麼連結。」

IfQ的成功關鍵可能是「量子纏結」這種奇怪現象:這是粒子之間的一種交互作用,當對其中一個粒子作用,另外一個粒子即使距離非常遙遠,也會受到影響。賓州大學的物理學家、IfQ的主要研究員巴拉薩布藍曼尼恩(Vijay Balasubramanian)表示:「最近出現一個相當有趣的構想,透過量子纏結把這些不管到底是什麼的時空『原子』綁在一起,就能織出時空的布幕。如果這是真的,那就太妙了。」

這個概念背後的邏輯奠基於一些物理學家早期的研究,例如現任職於伊利諾大學香檳分校的笠真生(Shinsei Ryu)及日本京都大學的高柳匡(Tadashi Takayanagi)在2006年發表了一篇論文,提出量子纏結與時空幾何之間的關聯。以此做為基礎,普林斯頓高等研究院的物理學家馬多西納(Juan Maldacena)與史丹佛大學的物理學家色斯金(Leonard Susskind)於2013年發現,如果兩個黑洞纏結在一起,它們之間可能會形成一個蟲洞(廣義相對論預測的時空捷徑)。令人驚訝的是,這個發現(或稱為ER=EPR,分別代表蟲洞與量子纏結,也是提出這兩個概念的物理學家的姓氏第一個字母)以及其他類似的結果都顯示,量子纏結這種超距作用可以創造出時空的結構。

要了解為什麼量子纏結可能產生時空,物理學家首先必須更加了解量子纏結究竟如何作用。當愛因斯坦與合作者在1935年預測出這個現象,他認為這看起來有點「詭異」,因為牽涉兩個相隔很遠的粒子間存在立即的連結,似乎牴觸沒有任何事物可以超越光速的概念。

最近科學家研究許多不同類型的量子纏結,典型的量子纏結是空間中許多相同的粒子以單一特徵(例如粒子的自旋)連結起來。不過巴拉薩布藍曼尼恩表示,這種「典型的量子纏結並不完整。我後來才發現還有許多不同類型的量子纏結,可能與重新建構時空的概念有關。」舉例來說,科學家可以把某種粒子與同地點的另一種粒子相互纏結,這種量子纏結不牽涉空間。科學家也正嘗試解決纏結大量粒子時出現的複雜問題。


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數位發展部數位政府司司長王誠明。

那政府是從什麼時候開始數位化的呢?源頭可以追溯到1998年時推動的「電子化政府計畫」。長期投身電子化政府計畫的規劃與推動的數位發展部數位政府司司長王誠明回憶道:

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從那時起,政府秉持著讓民眾參與政府運作的開放精神,展開「服務型智慧政府推動計畫」,以民眾關切議題的數位服務為優先項目,透過開放高應用價值資料與即時分析技術,提供民間資料應用的空間,或是由機關主動開發相關服務,不只對外增強政府的公共服務能力,對內也改善民主治理的運作機制,回應整體社會的數位化需求。

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王誠明司長特別強調,雖然電子化政府與智慧化政府乍看都是透過電子產品及數位技術加速政府服務,但在執行思維上卻有根本性的差別。傳統的政府服務多半從「公共事務管理」的角度思考,例如報稅、戶政、地政等,都朝向便於管理者管理的角度去開發;但在智慧化政府的發展觀念中,政府反而會站在民眾的角度思考,利用資料開放與分析技術等方式,鼓勵公私單位開發更多數位服務。例如過去政府開放實價登錄、公車路線、空氣品質等即時資料,衍生出實價登錄地圖、台北等公車等多元應用的APP,這些都是透過資料治理來滿足民眾生活需求的最佳範例。

隨著資料治理概念的深化,臺灣Open Data的服務也逐漸成熟,甚至在英國開放知識基金會(OKFN)的開放資料國際評比中獲得世界第一的殊榮。於是2015年,國發會從「賦權」概念出發、強調資料作為精準數位服務的基礎,打造「數位服務個人化」(MyData)資料自主服務,以「民眾自主決定資料如何使用、給誰用」的核心精神,打開政府服務的里程碑。

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Photo Credit:數位發展部「個人化資料自主運用(MyData)」網頁
My Data服務平台。

在過去,若民眾要到銀行辦理開戶或貸款等業務時,會因需要出示相關證明,所以得耗費許多時間往返機關與銀行辦理。如今透過MyData平台,辦理者經過不同等級的身分驗證後,就能即時將指定資料傳輸給指定機關,而且過程中民眾也可以隨時追蹤,知道資料傳到什麼地方、被誰使用;倘若資料不慎被盜用,民眾也能第一時間收到簡訊和Email通知來即時處理。

MyData平台的服務不只強化食醫住行育樂等民生領域的數位服務,王誠明司長也說,當中央與地方整合成熟之後,也希望跨足私部門,從監管力道強的金融產業開始,漸漸延伸至監管力道較弱,卻與民生息息相關的產業(如醫療),甚至期待在最終階段引入AI服務,落實資料智慧應用。舉例來說,未來民眾失業時只要告訴政府「我失業了」,MyData平台就能主動查詢、分析民眾同意開放的資料,藉由資料彙整及AI分析的智慧服務,主動回饋民眾如何申請補助、提供就業輔導等個人化建議。

由內而外深化數位治理,組織再造迎擊轉型挑戰

當政府則從「資料」的角度出發,打造新型態的公共服務模式時,「資料」不只化身為政府或企業組織間最珍貴的資產,也成為一切數位服務發展根基。不過,成千上萬的資料該如何妥善的管理、安全的傳輸、合法的應用,也成為智慧化政府發展過程的關鍵課題。對此,王誠明司長也坦言,這正是政府在轉型過程中面臨的三大挑戰:機關本身思維與行事風格的轉變、跨機關間資料傳輸的法律規範適用性,以及資料本身的個資保護問題。

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Photo Credit: Shutterstock / 達志影像
政府數位治理的三大挑戰:機關思維的轉變、資料傳輸的交換、隱私與方便的平衡。

所以如今政府透過組織再造,成立位階更高、權責更集中的「數位發展部」,把過去可能分別是通傳會、經濟部、國發會資管處、行政院資安處在做的事情重新整合,回應這些轉型過程中跨機關、跨領域的複雜問題,讓轉型過程中無論公私部門都有可以共同討論、解決問題的夥伴。

「數位轉型其實是一個持續的過程,它不是像轉骨一樣瞬間。它是一個持續的滾動調整,根據社會需要和當下技術,讓服務做得更好。」

王誠明司長也說,正因轉型是漫長的過程,所以數位發展部的角色就是在調整過程中能靈活運作、協調合作的機關,讓無論技術、制度、法律等層面的政府服務都能與資安會緊密結合,正確導入數位治理制度,落實資安與個資保護。

持續落實、不斷提升:數位治理永無止境

最後,王誠明司長也強調,深化數位治理不只該思考如何運用數位服務提升機關效能,也包含怎麼找出社會中沒能力使用數位服務的人,並給予幫助。若要達成這樣的目標,倚靠的就不只是技術成長,還包含整體數位環境的建置。仔細觀察臺灣社會近年的轉變,就能發現不少相似的痕跡──越來越多的數位服務不只作為應用的工具,深化公共服務效率及公民參與的可能性,還能打破傳統框架,成為新興的溝通媒介,建立公私部門之間不同的協力模式;更甚至我們還能從視訊看診、健康存摺等疫情應對措施中學習,也相信未來國家再度面臨困難或風險時,在數位治理的增能之下,可以更快速的恢復,並透過完善的數位工具解決難題,從中學習並不斷的強化精進。

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