走進量子世界 顛覆直覺新維度
解讀疊加糾纏穿隧三現象 初探改變未來科技基石
量子 quantum 一詞，源自拉丁語 quantus，意為「多少」，描述了最小的可測量物理單位；在微觀世界，包括能量、質量等物理單位的數值均是離散的（量子化），而非連續任意取值，這顛覆經典物理學的認知，同時為科技開拓更多可能性。據國際量子科技年專頁描述，量子技術正推動一些本世紀最激動人心的突破，改變人們對宇宙的理解；它揭示了一個隱藏的微觀世界，在那裏，粒子的運動方式顛覆人們的日常認知。在量子世界中，光既是波又是粒子，電子可同時存在於多個位置，而相隔甚遠的兩個粒子仍能保持神秘的關聯。事實上，量子科學涉及不少與直覺認知不符的現象，有如踏入一個法則迥異的全新現實維度。記者嘗試就多種量子現象以及前沿技術領域作簡要說明，幫助讀者從基礎知識入手，打開量子之門，更掌握這些可能改變未來的科技。
●文：香港文匯報記者 陸雅楠 受訪者照片：香港文匯報記者北山彥、曾興偉
量子疊加（quantum superposition）是量子力學中最具代表性現象之一。在經典物理學中，一個系統只能處於一種物理狀態，但在微觀世界的量子力學中，系統具有不確定性， 即可以處於各種不同物理狀態，而各種可能性同時存在，這種不確定的狀態稱為「疊加態」。而當對系統進行測量，即觀察者介入下，「疊加態」會「塌縮」為其中一個確定的狀態。
硬幣未定正反 貓可既生又死
若以擲硬幣作比喻，於經典物理學，硬幣只會處於正面或是反面兩種狀態；但在量子力學中，硬幣就好比在旋轉一樣，同時表達正面與反面的各種可能性，也就是處於正面與反面的「疊加態」。
在量子力學討論中，也經常提及其奠基者之一薛丁格提出知名思想實驗——薛丁格的貓（Schrödinger's cat），當中詮釋了量子力學於宏觀世界經驗中的荒謬性及違反直覺。在此思想實驗中，貓裝在封閉的容器內，當中置入具量子特性、會將貓殺死的放射性物質；而若要作出描述，在沒打開蓋子（觀察者介入）前，貓不是生也不是死，而是處在生跟死的「疊加態」。
量子糾纏（quantum entanglement）則描述了粒子之間一種深層次的聯繫——即使相隔多遠，當一顆粒子的狀態發生變化時，與它相連（糾纏）的另一顆粒子的狀態會瞬間受到影響。以比喻說明的話，可想像在不同地點擲出兩顆骰子，無論它們相隔多遠，只要其中一粒骰子擲出結果，與它糾纏的另一粒骰子總會擲出與之相關聯的結果，有着「心電感應」般的神奇關聯。
「鬼魅超距作用」引出通信技術前景
由於此種關聯可無視距離，甚至超越光速，讓愛因斯坦亦對此深感困擾，因而對量子糾纏作出了「鬼魅的超距作用」的著名描述。基於量子糾纏發展出廣受關注的量子通信技術，透過操控微觀粒子，開拓出現實世界的應用，其中由中國科學院院士潘建偉擔任首席科學家的「墨子號」量子科學實驗衛星更是有關領域的全球先驅，引領人類進入量子通信科技的新紀元。
此外，量子穿隧（quantum tunneling）效應亦廣受關注，它描述了包括電子等微觀粒子，即使其能量低於穿越障礙所需的能量，仍有可能穿越至障礙的另一邊。惟根據經典物理學，物體必須擁有足夠能量才能越過能障，因而無法解釋此量子特性。而今年諾貝爾物理學獎，便證實了此量子現象於宏觀系統中亦能呈現，為眾多改變人類世界的量子技術打開大門。
