量子電腦能夠執行如閃電速度般複雜的運算，又能在真實世界中傳輸不會遺失或是被竊聽，這樣的量子通訊技術是我們想像中未來的流行趨勢。來自以色列理工學院物理與固態研究所的研究人員讓這樣的未來更接近一步了。在最近的一項突破研究中，Dan Cogan博士、Zu-En Su 博士、Oded Kenneth 博士與 David Gershoni 教授展示了一種產生糾纏態一致性光子群鏈（chains of entangled and identical photons clusters）的方法。

當粒子糾纏時，它們形成了一個”統一系統狀態”。在此群體中的每個粒子態並不能以獨立狀態來進行描述。因此，當擷取群體中的一個粒子資訊後，將能夠帶給我們其它粒子的資訊。如果其中一個粒子受到了影響，即使是在宇宙另一端的例子也會被影響。粒子糾纏的這種特性是量子技術發展的關鍵優勢。

由於光的非互動性質，使得光子在通訊技術領域尤其是量子通訊界受到青睞。光子通常不與周遭物質產生交互作用，因此不會消失。這個特性使其在通訊技術中非常有用，例如光纖通訊。

但同樣地，因為光子間互相不會交互作用的特質，也使得產生糾纏態光子（photon entanglement）困難重重。多年來，Gershoni 教授的研究重點聚焦於挑戰產生糾纏態光子。1999 年，他所帶領的團隊證明了被稱為量子點 (quantum dots，又稱作人造原子) 的奈米尺寸半導體，可被用做單光子源。2005 年，此團隊展示了從這些量子點源（quantum dot sources）產生出糾纏態光子對的可能性，隨後於 2006 年再次驗證了產生許多群集狀態（cluster state）糾纏態光子概念的可能性。

此團隊最新發表於《Nature Photonics》期刊的研究成果展示出了一種利用雷射脈衝來激發量子點的裝置。此裝置也被稱為編織機，因其能以每秒產生五億個單光子，並且將一個個連續性光子以糾纏態方式串成連續鏈。此團隊表示，在鏈中每十個連續光子是量子糾纏的。

此研究展示了截至目前為止有著最佳亮度、速率以及糾纏強健性的糾纏態光源。同樣重要的是，此光源產生的光子幾乎是完全一致無法區分。相同的光子能夠進行建設性干涉，提供不同鏈之間的糾纏性連結，進而擴大其群的尺寸與連結度。

Gershoni 教授表示：「我們相信這一個突破將會推動量子資訊處理領域的發展，尤其是在量子通訊這個範疇。這些領域將有可能構成未來量子技術的基礎。我們的研究動機緣起於希望技術能夠跟隨著科學的腳步，進而很快能看到純量子科技的廣泛使用。在不久的將來，量子資訊通訊與糾纏分佈將會成為可能的現實。」

■ 鬼魅似的遠距作用

量子糾纏是一種物理概念，源自於量子力學理論基礎，並在 1920 年代由尼爾斯·波耳 (Niels Bohr)、埃爾溫．薛丁格 (Erwin Schrödinger)、維爾納‧海森堡 (Werner Heisenberg) 等學者提出修正。與古典力學相反，量子力學具有不確定性與機率性質。但愛因斯坦並不接受這樣的不完整的描述，他說：「神並不會擲骰子。」為了證明量子力學是一個不完整的理論，他在 1935 年與波多斯基（Boris Podolsky）以及羅森（Nathan Rosen 同時也是以色列理工學院物理系的創辦人）共同發表了一篇論文，隨後被稱為 EPR 悖論 (名稱取自於三人姓的首個字母)。該論文對於糾纏這個允許資訊能夠以瞬間比光速更快的傳播概念表示保留， 對此，他表達出懷疑態度，並稱其為「鬼魅似的遠距作用」。

量子力學的創始人之一尼爾斯·波耳與愛因斯坦的爭論持續多年。他曾說：「愛因斯坦，停止告訴神該做什麼。」，並且將糾纏的遠端特質視為一種交互作用，而非是基於機械性影響，其是基於邏輯效應，也就是定義系統行為的條件。愛因斯坦則是將波耳的回應描述成「塔木德式胡言亂語的長篇大論」。

1962 年愛爾蘭物理學家約翰．貝爾提出了一種解決愛因斯坦與波耳爭論的實驗性方法。貝爾證明了，如果測量到的兩個粒子之間的相關性違反了貝爾不等式，那麼它們一定是糾纏在一起的。2022 年諾貝爾物理獎得主 約翰．克勞澤 (John F. Clauser)、阿蘭．阿斯佩 (Allan Aspect)、安東．塞林格 (Anton Zeilinger) 於 1970-1990 年代期間所進行的研究驗證了貝爾的想法。三人的獲獎理由是「糾纏光子實驗證明其違反貝爾不等式且引領了量子資訊科學領域」，其證明了波耳的論述是對的。

Gershoni 教授研究團隊目前致力提供現有最好的方法，以產生糾纏光子並且將其用來當成量子資訊處理的資源。

Gershoni 教授也於 2012 年獲得日本 ISCS 量子裝置獎，2014 年因其於該領域的開創性貢獻獲得了德國宏博基金會頒發的研究獎。

資料來源：

https://www.technion.ac.il/en/2023/02/let-there-be-entangled-light/