量子理論的哲學遐想 & 量子通訊及量子電腦的發展

1. 量子理論的哲學遐想&量子通訊及量子電腦的發展量子理論的哲學遐想&量子通訊及量子電腦的發展 Johnson Lin 20060512

2. 前言 • 量子力學是近代最重要的理論，在應用上非常成功，舉凡目前所有的電子資訊及光電產品，甚至未來的量子電腦、量子通訊，都用到量子理論來發展。 • 在極微小的尺度下的量子行為，讓所有的物理大師困惑不已，愛因斯坦打從心底不願相信的說『上帝不丟骰子』，世界知名的物理學家理查費曼也曾說『全世界沒有人真的瞭解量子力學』。 • 由於量子力學的『知其然不知其所以然』的不完備性及呈現的奇異現象，啟發了我們在人生哲學上的想像空間…..

3. 量子力學引申的遐想 • 一種連愛因斯坦都反對的EPR”如幽靈般的超距作用”證實的確存在，是否隱含著心電感應等奇異現象有解？ • 在微觀的量子世界，任何的觀測都會影響到被觀測者(測不準原理)，甚至造成波函數(機率)崩潰…如果擴大解釋：假設有人真會算命，一旦他算過(觀測)你的命後，無論他是否告訴你，你的命運也將改變… • 無中生有是可能的嗎？ 所謂的真空是真的真空嗎？宇宙的誕生是不是一種無中生有的過程？ • 氣功大師能夠從封閉的瓶中取物，是利用量子力學的”穿隧效應”嗎？ • 從宇宙到生命的產生是一種“有序”還是“無序”的過程？是可逆還是不可逆？ • 量子通訊及量子電腦未來對我們有什麼重大的影響？

4. 主要應用於原子或更小實體的物理定律。 量子理論的核心是測不準原理和波粒二象性概念的結合。 量子理論的發展上，有兩大派別互相爭論。一派是以愛因斯坦、普朗克、薛丁格等的非主流派(現今認為)，另一派則是波恩、海森堡、喬登、鮑立等以機率為論點的哥本哈根學派。 愛因斯坦曾說『上帝不丟骰子』以反對另一哥本哈根學派，更不能忍受量子力學的”觀測論”，亦即”觀測創造出事實(reality is created by observation)”的立論。 EPR弔詭，即是愛因斯坦等人提出反機率論者的論述，然而經由驗證，代表「世界的下一步是隨機的」的量子學派得到現今大多數物理學家的認同。 量子理論基本觀念及EPR由來

5. 簡單的說 1935年愛因斯坦(Einstein)在普林斯頓與普多斯基(Boris Podolsky)、羅森(Nathan Rosen)兩位物理學家聯合設計，寄以反駁測不準原理之機率論點。 愛因斯坦等人假想一種實驗：由原子產生的兩個光子以光速各奔東西，在測量其中一個狀態後，可推算另一個精確狀態(能量守恆)。如此即違反測不準原理。 (附錄2) 驚異的實驗結果 直到1982年亞斯培克特(Alain Aspect)在巴黎大學所做的高精密度的實驗，證實愛因斯坦不相信的的EPR”如幽靈般的超距作用”確實存在。 當觀察其中之一個粒子，確實影響了被觀測的粒子，同時也影響了以光速分離的另一個粒子。 是”什麼”可以超過光速”通知”且影響另一個粒子讓測不準原理成立？ EPR的實驗結果

6. EPR的”天才”想法，儘管當時無法實驗證實，卻引起了世紀大爭論，促進了對量子物理學更深入的瞭解，對未來量子理論及量子電腦等應用產生了巨大貢獻。EPR的”天才”想法，儘管當時無法實驗證實，卻引起了世紀大爭論，促進了對量子物理學更深入的瞭解，對未來量子理論及量子電腦等應用產生了巨大貢獻。 這種”一對光子或粒子不論多遠都會互相影響其狀態”的現象稱為量子糾纏 (quantum entanglement)：即兩個或多個量子系統之間存在非古典的強關聯。 量子糾纏態的這種非局限性(附錄1)是實現量子遠距傳輸(隱形即時且超光速)、量子密碼學、量子電腦的重要基礎。 日內瓦大學的 Nicolas Gisin的研究群實驗證實『粒子的相關不隨距離增加而衰減』。暗示了在宇宙遙遠一角的量子事件可能影響到地球上的事件。 EPR的重大影響

7. 穿隧效應（Tunneling Effect） • 李嗣涔(台大校長)曾認為特異功能人之所以可將玻璃瓶內物品移出瓶外，是發功後產生的穿隧效應作用。(不過許多物理大師並不認同) • 可以假想微觀的粒子，因具有”波”的特性，而穿透…. • 電子顯微鏡就是利用探針在物體表面穿隧效應造成電流變化來”觀看”物體。 • 穿隧效應說明 • 所謂「穿隧效應」就是指粒子可穿過比本身總能高的能量障礙 • 在一有限能量璧障V之內運動的粒子(電子或原子)，即使不具備大於能量壁障V的機械能E，依照量子力學的敘述，粒子仍然可以自身波-粒的特性與外界進行粒子交換。 • 根據「量子力學」，由於質點具有波動性，因此可以穿越比其總能量更高的能量障壁，這種效應在「古典力學」中是不可能的。 • 穿隧的機率和距離有關，距離愈近，機率愈大。而微小粒子穿透位能障礙的能力與其質量成反比。

8. 觀察導致-被觀察者的狀態改變 • 在量子世界中，未觀察時粒子是屬於疊加狀態(簡言之僅能用機率描述，深入的說可用薛丁格波方程式描述)，一旦經過了觀察測量即造成機率崩潰後的狀態。 • 對於微觀粒子運動狀態的有效測量，必將在可觀測的意義上使粒子原來的運動產生不可逆的改變。這種不可逆的改變起因於量子力學的互補性原理(Complementarity) • 在經典的雙狹縫干涉實驗中，本來呈現波的干涉特性。如果要測量粒子通過了哪一個縫，干涉條紋便不再存在了而呈現粒子特性(強調粒子特性時，與粒子性互補的波動性便被排斥)。這種由於測量或其他影響導致相干性消失的現象稱之為量子退相干（Quantum  decoherence）。就量子測量而言，稱為機率崩潰/波包塌縮（Wave packet collapse）

9. 宇宙的真空中，不斷的有粒子產生及消失，其實是充滿著活力，這種現象稱為量子起伏(quantum fluctuation) 有人認為我們的宇宙就是由這種量子事件所產生的，經過穿隧效應產生大爆炸(Big Ban)而來。 宇宙何處都無法維持恆定狀態，即便是黑洞也會因無中生有的粒子中和(霍金效應)而遲早會消失。 例如： 電子運動時會感應一些電磁場(光子)，所以當電子運動時可能在Ａ點放出一個光子，然後在Ｂ點將此一光子吸收回來 光子在運動的過程中可以突然分解成電子－正子(反電子)對，隨後電子－正子對再復合成光子 電子、正子對和光子都是憑空出現的，真真正正的「無中生有」 真空就真的是一無所有嗎？無中生有可能嗎？宇宙是無中生有的嗎?

10. 生命是不可逆的過程 • 「可逆」即一個事件的發生不具有特定的時間方向 。可逆的過程中所有發生的事件都是完全確定且可以掌控的。 • 不可逆現象的發生其基礎在於事件本身具有「不確定性」。例如:一滴墨水滴入白開水中，覆水難收。 • 「不確定性」代表不能被知的特性，而此一特性會對生命現象造成一些無序的狀況，而這些無序的狀況在生命演化過程中相當關鍵。不可逆現象是結構和生命的起源。 • 因此「不確定性」不僅能創造出萬物，結合了有序(如遺傳)及無序(如突變)演化出這個生趣盎然且多彩多姿的世界。 • 大致而言微觀量子世界是可逆的(因此量子電腦可向前後推算，在機率崩潰前)，但是組合成巨觀以後卻是不可逆的。如果要進一步研究原委是屬於物理學裏統計力學的研究範圍。

11. 量子通訊及量子電腦 • 量子通訊及量子電腦是未來的趨勢，將讓人類文明發生鉅變。就像原子彈發明一樣，全世界強權皆默默傾全力發展，誰先有量子電腦，誰就可以掌握世界。 • 利用量子糾纏原理做成的量子通訊，其傳輸距離無窮，速度遠超過光速 (地球與火星上的人可以即時通訊！現在用電磁波光速單趟就要半小時)。 • 量子電腦可以在很短的時間內解決一些目前電腦還需要指數計算量才能解決的問題；可快速瞬間搜尋 所有的資料(exhaustive search)；其儲存資料能力以相同n位元比較，是目前電腦的2n倍。 • 目前還須克服一些難題：主要是「量子狀態的脆弱性」極易受到干擾。

12. 傳統電腦與量子電腦的比較

13. 附錄1:貝爾不等式(Bell's inequality) • 為了說明及區別古典物理(局限性，如相對論)及新興物理(非局限性，如量子力學)，其基本特性之不同，高能物理學家(high-energy physicist)貝爾(John Stuart Bell, 1928-1990)提出具有重大意義的貝爾定理(Bell's theorem) • 貝爾不等式有三大前提：一、基本邏輯成立；二、某種守衡率成立，例如自旋角動量守衡。三、局限性(locality)成立。 • 局限性成立 • 物理事實滿足貝爾不等式 • 局限性(locality)：即沒有任何東西或訊號的傳遞可以比光速快。愛因斯坦的相對論是基於交互作用是屬局限性的(local)古典物理。 • 非局限性(nonlocality)成立 • 若物理事實違反貝爾不等式，通常認為貝爾不等式前兩大前提是對的，則其非局限性成立。

14. 附錄2:ＥＰＲ(Einstein-Podolsky-Rosen Paradox)詳述： • 海森堡於1927年提出的不確定原理。對於任何質點，我們不可能同時完全確定其位置與動量 ｜Δｘ．Δｐ∣≧ｈ／(４π) • EPR弔詭 • 設某一質點，分裂(或銳變)成為兩個質點Ａ與Ｂ；假設這系統是在真空中，Ａ與Ｂ各自分飛後，不再有其它碰撞或干擾。由於質點Ａ與Ｂ乃自由粒子(free particles)所以分飛後動量不隨時間改變。 • 過了一段時間，總動量守衡，我們可以測量Ａ之動量而立即知道Ｂ的動量 • 按海森堡之不確定原理，動量值與位置是不可能同時精確得知的，但是在以上的例子中，我們可以”做到”違反海森堡之不確定原理的結果(註:實際上後來實驗否定愛因斯坦EPR推論) 1.精確地測量Ａ的動量，儘管Ａ的位置不準度變得很大 2.按動量守衡原理，Ｂ的動量立即可精確得知，不須測量。 3.精確地測量Ｂ的位置，因Ｂ的動量己經知道了。 • 否定以上的論點，只有一種狀況，那就是測量Ａ的動量不但干擾了Ａ的位置，也干擾到了Ｂ的位置。