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科視點：科學挑戰直覺
Science challenges intuition
今天，我們要來聊一個剛剛發生的，關於量子技術的重大新聞。來自中山大學的科學家們，在奈米尺度上，成功建造了一座能隨心所欲生產相互糾纏的光子對的神奇工廠。這個成果的意義非常重大，因為它可能會改變未來的量子計算機和量子通訊技術的整體格局。
《自然》雜誌論文截圖1
01
量子糾纏的概念
量子糾纏這個詞，相信每個人都熟悉，也大概知道量子糾纏的意思，不過，為了讓你能真正理解這個雙光子工廠的非凡意義，這裡還是要從量子糾纏的基礎概念開始講起。
在微觀世界裡，兩個粒子，比如兩個光子，在經過特殊處理後，會像一對有心靈感應的雙胞胎。無論你把它們分開多遠，哪怕一個在地球，另一個在月球，它們之間都會保持著一種神秘的聯絡。只要你測量其中一個光子的狀態，那麼在同一瞬間，另外一個光子的狀態必然會呈現出被測量的光子的相反的狀態。這個過程是一個瞬時過程，不需要消耗時間。這種超越距離的瞬間關聯，就叫做量子糾纏。
理解了這一點，我們再來看它的兩項重要應用：量子通訊和量子計算。
比如 A 與 B 二人進行量子通訊。A 先透過一組糾纏的光子把一份雙方都不知道的金鑰發給 B。由於糾纏光子一旦破壞就不能被偽造，如果有駭客在半路上竊取了金鑰，那麼就會導致 AB 二人手裡的金鑰對不上。當 A 準備正式向 B 傳送資料時，可以透過任意通訊方式與 B 發起一次金鑰比對，如果金鑰對不上，就說明有駭客已經竊取了金鑰，這時候，我們只要再次傳送新的量子金鑰，通訊就不會被駭客竊聽了。
再比如量子計算機，它需要大量的量子位元協同工作。這些量子位元能夠同時存在於多個狀態，而不僅僅是經典計算機中的 0 和 1 兩種狀態。透過量子疊加，量子計算機能在一瞬間處理龐大的資訊量，從而使其在處理一些特殊計算任務時比傳統計算機更高效。而要實現這種高效的計算，量子位元之間的相互協作至關重要。而量子糾纏，就是連線這些量子位元，讓它們同步運算的關鍵。
所以你看，量子糾纏是未來量子科技大廈的基石。我們找到了很多量子糾纏的應用方向，但是有一個大問題尚未解決，那就是，該如何高效地製造出這些糾纏的光子呢？
02
糾纏光子的稀缺性
糾纏的光子是一個相當稀有的東西。在絕大多數情況下，用雷射來照射晶體，可以讓晶體內部的電子提升到高能態。但是，高能態是不穩定的，於是電子就會自動跌落回原來的低能態，並且釋放出一個光子。在某種比較罕見的條件下，跌落回低能態的電子會釋放出兩個相互糾纏的光子，這兩個光子的總能量與之前吸收的光子能量相等。這就產生了一個糾纏在一起的光子對。
這個辦法聽起來不錯，但它有個巨大的問題，那就是生成糾纏光子對的機率實在太低了，完全屬於碰運氣。所以雖然全世界的科學家都知道這是一種能夠產生糾纏光子對的辦法，但誰也沒法把它變成一條可以穩定生產糾纏光子的流水線。
03
從量子點電視到光子工廠
那麼，中山大學的科學家們到底是怎麼解決這些問題的呢？這要從你身邊很熟悉的一個家用電器開始說起，它就是 QLED 量子點電視機。量子點電視機是目前色彩最逼真的電視機產品。它是怎麼做到的呢？其實它的底層原理就是電子能級降低時會釋放光子這個量子力學原理。
論文第一作者劉順發副教授開展量子光學測量實驗
科學家們用製造電腦晶片的半導體材料，透過非常精細的雕琢，造出了一個只有幾奈米大小的房子，這個房子非常非常小，小到可以把一個電子關在裡面。奇妙的事情就在這裡發生了。當電子被關進小房子之後，物理規律會迫使它也只能待在固定的房間裡，這與電子在繞著原子旋轉時會有不連續的能級軌道非常類似。當我們用雷射照射這些電子時，電子就會躍遷到房子的更高樓層，當它們重新落回較低的樓層時，就會釋放出光子。而你家裡的量子點電視機就是這麼發光的。2023 年的諾貝爾化學獎，表彰的就是量子點的發現和合成。
最重要的是，這些小房子的大小和樓層的高低都是可以人為控制的，只要控制好樓層的高度，就能讓電子準確地釋放出指定顏色的單色光了。
中山大學的科學家們採用的辦法與量子點電視機的原理是類似的。他們也給電子製造了特殊的小房子，在小房子的束縛下，可以為電子注入更多的能量，這就導致電子在能級向下躍遷的過程中只能釋放出兩個一模一樣的光子。這就是糾纏光子對的產生過程了。
如果你還是沒聽懂，我可以再給你舉一個更形象的例子。你可以把科學家為電子製造的小房子想象成一臺自動提款機。提款機的結構規定了如果取錢，就只能是 100 元的倍數，因為它裡面只有 100 元的鈔票。這時候，我們在存錢時一下子轉賬進去 200 元，並且要求它立即取出來。提款機因為自身限制，就只能吐出兩張 100 元的鈔票了。
透過這種巧妙的設計，科學家們硬是把那個原本發生機率低於 0.1% 的罕見事件，提升到了大約 50%。這是一個革命性的飛躍。過去獲得糾纏光子對是拼運氣，是守株待兔，現在則是建立起了一條高效的生產線。所以科學家才會自豪地說，我們就像在奈米尺度上，打造了一個專門生產糾纏光子的工廠。只要按下開關，這個工廠就能按需生產，要多少有多少。
除了產量高，產品質量也非常關鍵。新聞裡提到，他們生產出的糾纏光子，保真度高達 99.4%。這是什麼意思呢？保真度衡量的就是這對光子之間有多高的機率是相互糾纏的，沒有糾纏效應的兩個普通光子是沒有意義的。99.4% 的保真度，意味著它們的關聯性極強，幾乎完美。沒有測量就沒有科學。這個 99.4% 這個數值，是這項成果含金量的最好證明。
這座雙光子工廠的問世，為整個量子資訊科技的發展提供了最基礎、也最關鍵的零件。有了它，整個產業就可以從實驗室走上應用驅動的快車道。
想象一下：
當糾纏光子能像“自來水”一樣穩定供應，你覺得哪種量子技術會最先改變你的生活？是超安全的量子通訊？還是其它意想不到的應用？ 歡迎在評論區分享你的看法！
信源：
[1]https://www.nature.com/articles/s41586-025-09267-6
編輯：牛牛
撰稿：老董
排版：湘陽
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