量子傳輸不再是天方夜譚，將徹底顛覆當代通訊方式

量子傳輸不再是天方夜譚，將徹底顛覆當代通訊方式

By Adam Mann   | 23 十月 2012

量子隱形傳輸模擬。粒子從衛星傳送至兩處位於地球的中繼站。

國際間的量子隱形傳輸（quantum teleportation）太空競賽愈演愈烈！各國紛紛投入大量時間和金錢，研究量子隱形傳輸技術，也就是透過衛星，從太空中將量子資訊傳輸至地球，徹底顛覆人與人之間的信息溝通方式。
量子隱形傳輸不是什麼「某天可能會實現」的天方夜譚，不但已有多次實驗成功，現在研究人員更放眼天空，希望能有所突破。其實這項技術，真的離實現不遠了，現在只剩下些瑣碎的技術挑戰（和欠些資金贊助）而已。
不過千萬別以為有了量子隱形傳輸，就可以立刻把人或物品變不見，然後出現在另一空間；它並不是電影《星際爭霸戰》中的「把我傳送上去，史考特」 （Beam me up, Scotty）的技術，也不像哈利波特的魔法，而是更為先進的訊息傳遞方式，牽涉的技巧可能更駭人聽聞——將一個次原子粒子從現有的量子狀態分離開來。
「一旦你分解了某個粒子的現有狀態，即可在另一處，重新製造此一粒子」，曾在1993年共同撰寫首篇量子隱形傳輸研究報告的IBM物理及電腦科學家Charles Bennett解釋。
雖然1993年所發表的報告，純粹基於理論性的推論，但自那時起，科學家已經成功地完成多起實驗，將量子傳輸至其他地方，而且距離愈拉愈長。
去年就有中國和奧地利的兩組科學團隊，在空曠地帶成功利用雷射光束，將光子運至60及89英哩遠處，打破了2010年時僅10英哩的紀錄。其實 2010年的紀錄，也是由同一組中國研究團隊創造出來的，但僅僅花費1年時間，量子傳輸的距離就已超出好多倍。這項進展，讓許多科學家更野心勃勃地著眼於 下一步：
利用在地球軌道運行的衛星，將粒子和資訊，迅速傳送至位於地球的中繼站。
如果發展成功，間諜便可透過衛星，進行量子傳輸，來回傳遞大量資訊，且無法破解。另外，如果研發出量子電腦——遠比現代電腦來得更小、功能更為強大，能處理更複雜的情況，更能快速地進行數字演算，甚至會淘汰現代的加密系統，轉成用量子傳輸媒介進行傳輸，然後加以連結，建立一套像網際網路一般的量子網際網路。
中國計劃在2016年發射衛星，裝載相關設備，以進行量子傳輸實驗；歐洲、日本、加拿大太空機構也預計在未來幾年之內，籌措資金，發展量子傳輸衛星 計劃；相較於其他國家，美國在此一領域的進展，因受到官僚程序、人事更迭之累，落後許多，自2008年起，美國的量子通訊研究便無法獲得政府支持。
在這新科技的競爭中落敗，也就意味著，無法享有量子通訊可能帶來的優勢及利益。

奧地利團隊利用雷射光束，將光子從加那利群島中的特內里費島，傳送至拉帕爾瑪島。

量子傳輸技術
至於要如何進行量子傳輸呢？主要是運用量子力學技巧，讓科學家能同時創造出兩個完全一致的粒子，被稱之為「糾纏態粒子對」（Entangled Pair）。
假設你有一對糾纏態的光子，而且試圖測量它們的偏振態（Polarization），也就是他們的振動方向，如果其中一個光子是垂直偏振，另一個一定也是垂直偏振。
但量子力學仰賴機率，也就是說，在測量粒子的偏振態之前，它可能是垂直偏振，亦可能是水平偏振，兩者的機率各為50%。根據量子力學的標準解讀，在 測量之前，所有粒子都同時處於垂直／水平偏振狀態，但只要出現了「糾纏態粒子對」，你就可以只測量其中一個粒子，便可知道無論距離為何，在遠方的另外一個 粒子，一定也是具有同樣的特性。
「就好像是兩個人在玩擲骰子一樣，每次他們獲得的點數都一定相同；雖然是隨機擲的，但結果一定相同。」維也納奧地利科學研究院物理學家Rupert Ursin解釋道，他的團隊在不久前，打破了量子傳輸的最遠紀錄。
當然，如果只有骰子的話，是不可能製造訊號，或傳輸訊息。就好像你給朋友一個骰子，事前告訴他如果擲出雙數是0，如果擲出單數是1，然後叫他到另一房間去擲骰子，由於是隨機擲出，所以最後你朋友擲出來的結果，是一連串的0和1這兩個數字。
為了賦予這些訊息一些意義，你需要「量子傳輸」。這時，必備的要件包括三個次原子粒子，也就是光子；其中兩個光子，是「糾纏態光子對」，而第三個，則包含了你想要傳輸的訊息。
接下來，我們就簡單介紹一下傳輸是如何進行的。舉例來說，假設我們把「糾纏態光子對」的一個光子放在洛杉磯，另一個放在紐約，位於洛杉磯的科學家， 同時測量糾纏態光子對中的光子，以及非糾纏態光子對的光子，她不需要完全找出兩者的特性，只要進行比較——看他們是一致，還是相反——在測量中，兩個粒子 會被損毀。假設她發現的粒子是相反的，然後把這個消息傳給紐約同事；之後，在紐約的科學家會測量他手中的糾纏態光子，然後無論獲得什麼結果，與其相反的， 就是他想要收到的訊息。
首篇量子傳輸研究報告的共同作者Charles Bennett最喜歡用美國中情局（CIA）幹員審問證人的例子，來說明什麼叫做量子傳輸。
有位住在西雅圖、名叫Alice的女性，獲得一個CIA迫切想知道的訊息，才能化解一場恐怖攻擊。CIA想在華府的總部審問她，但Alice卻拒絕配合。所幸，CIA幹員中有一對神奇的雙胞胎，分別叫做Romulus和Remus，他們在回答是非題時，答案永遠是一致的。
所以，CIA派了Remus去西雅圖，不是去審問Alice，而是看她和Remus相處得如何。兩人見面、了解了之後，Alice發現她討厭 Remus， 對每個Alice可能會回答yes的問題，Remus都回答no。所以Remus只要告訴他在總部的長官，他跟Alice的答案都是相反的，而總部只要詢 問在華府的Romulus，就知道Alice的答案為何了。
不過，就像Remus和Romulus一樣，兩人一開始是一起現身在華府，研究人員也不可能一開始就把糾纏的粒子對，正好放在要進行量子傳輸的兩個 地方。所以在實驗中，研究人員通常是在一個地方，製造一對糾纏態粒子對，然後測量其中之一，再與第三個含有信息的非糾纏態粒子相比較。然後他們使用雷射光 束，將兩者之間的相對性，和剩下的糾纏態光子一併寄到別的地方。
由於次原子粒子非常的微小和脆弱，因此容易遺失，也就是說，實驗人員必須極度小心，注意處理程序。剛開始的實驗，僅進行了短距離的粒子傳輸，如在幾吋之內。後來研究人員才慢慢延伸粒子傳輸的距離，從幾英呎，延伸至幾百英呎。
「現在我們想進一步證明，這種傳輸方式可擴及世界各地」，帶領奧地利量子距離研究團隊的維也納大學物理學家Anton Zeilinger說。如果透過玻璃纖維傳輸，光子在過程中會被吸收，因而消失殆盡，所以「方法之一，就是我們透過衛星進行量子傳輸。」

http://wired.tw/2012/10/23/quantum_satellite_teleportation_1/index.html