疊加與糾纏—國際量子科技年的來臨

又值歲末，準備迎接新的一年。聯合國在稍早宣布2025年為「國際量子科技年」，此外也是表彰海森堡（Werner Heisenberg）與薛丁格（Erwin Schrodinger），提出並奠定量子力學理論基礎的100周年。

兩位先驅者在100年前，分別以矩陣數學及波動力學，詮釋電子在原子尺度內的行為，並得到實驗的證實，開啟了量子力學的大業。隨後量子力學在物理、化學、生物，甚至工程應用領域，都獲得重大的進展，並引領各學科踏入一個全新境界。

然而量子力學從一開始提出，就被很多科學家所質疑其理論的完整性，歷經100年此爭辯依舊方興未艾。就以近來備受關注的量子運算，之所以具有如此龐大的運算能量，是基於量子疊加（superposition）以及量子糾纏（entanglement）2項基本的特性。而疊加與糾纏，從1920年代末期便開始爭論不休，參與論戰的包括愛因斯坦（Albert Einstein）、波耳（Niels Bohr ）等人，乃至於海森堡與薛丁格兩位。

論戰以薛丁格的貓開始。貓裝在箱子內，在沒打開蓋子前，貓不是生也不是死，而是處在生跟死的疊加態—這完全違反我們的經驗法則，但是在量子的世界是可行的。最近網路上有一則貼文，「在沒打開主管辦公室門之前，我是處在生跟死的疊加態」，似乎比薛丁格的貓更易懂。

薛丁格的波函數有一連串組合的解，然而當我們人為去量測時，依照波爾及其哥本哈根學派的解釋，會造成波函數的塌陷，而得到其中的一個解，也就是量測得到一個物理量。至於還有其他的解，在下一瞬間的量測，會得到另一個物理量。所以會量測得到哪一個物理量，變成機率問題，因此在量測之前，電子是處在多個疊加態之中。

愛因斯坦對於此機率性的假說非常不以為然，也因此衍生出「上帝不會擲骰子」 的名言。

用人為的方法去量測量子或基本粒子的物理狀態，一直是在科學界無法解決的問題，因為這些粒子的物理量都非常微小，人為的量測不免會干擾到粒子原先的狀態，而造成波函數塌陷或不連續的產生，但是如果不去量測，又無從得知粒子的狀態，這真是兩難。

1957年另一位先驅者Hugh Everett，用數學的方式將觀察者也納入波函數的計算，而得到多重世界的結果，每一個世界代表著其中的一個疊加態。也就是我們所量到的狀態，是在這個世界所發生的，另外還有其他的世界有著不同的疊加態，與我們平行存在。多個平行世界或宇宙，在我們現實世界是無法想像的，但在量子的世界是有可能發生。

記得在小時候看過一齣電影，片名叫「聯合縮小兵」（Fantastic Voyage）的科幻片。內容是描述冷戰時期，美國軍方為了搶救一位命在旦夕的蘇聯科學家，將一組人馬及核動力潛艇，用尖端科技加以縮小，並用針頭注射入科學家的血管，並航行到科學家的腦部，用雷射光清除其腦中的血塊。過程中有很多有趣的事發生，包括科學家體內的抗體攻擊縮小後的小組人員及潛艇。如果把觀測者及量測設備，縮小到量子尺度，然後去量測基本粒子的物理量，如此才能得到真實的量子行為。

量子糾纏又是件令人匪夷所思的事。2個糾纏過的粒子，在分開很長一段距離之後，依舊維持著超越時空的關聯性，而互通有無。愛因斯坦稱之為「鬼魅般的作用力」，這完全顛覆我們以力學為中心的物理學，但後來實驗證實這個糾纏的作用力是存在的。

要觀察及理解量子的世界，唯有將觀察者微縮到量子的尺度，才能得到確切的答案。在真實的世界裡，雖然我們不完全掌握量子的奧秘，但基於其所表現出來的行為，仍足以藉此開發出影響人類文明的工具，量子運算就是個鮮明的例子。這也許就是聯合國將2025年訂為國際量子科技年，背後的原因吧！