<國際量子科學與技術年系列活動>2024量子井字棋大賽_前導教學

薛丁格的貓是量子力學中的一個著名思想實驗，假設將一隻貓與一瓶裝有氰化氫毒氣的玻璃瓶，以及放射性物質一起放進一個密閉且不可見的盒子中。放射性物質可能會隨機衰變。如果放射性物質沒有發生衰變，則系統不會有任何變化，貓咪存活；然而，如果放射性物質衰變了，則會觸發機制，擊破玻璃瓶釋放毒氣，導致貓咪死亡。

在這樣的封閉系統中，貓咪的生死與放射性物質的狀態密切相關。當實驗進行到某個時間點，未打開盒子時，根據量子力學，貓的狀態處於「疊加態」，即既是活的，又是死的，兩種狀態的機率各半。然而，當我們打開盒子的一瞬間，對系統進行「量測」，貓的量子態就會「塌縮」到一個「確定態」，貓咪會變成或是活的，或是死的，無法同時存在於兩種狀態。

手套的想像實驗：假設將一對手套（必定是一隻左手和一隻右手，這便是所謂的「糾纏」）分別放入兩個密閉的箱子中，而我們事先並不知道哪隻手套在哪個箱子裡。根據量子力學的疊加態原理，未進行「量測」時，系統不會發生「量子塌縮」至「確定態」，因此，每個箱子中出現左手或右手手套的機率應該各為一半。假設這兩個箱子被分別送往極為遙遠的兩地，距離遠到甚至超過光速在打開箱子時間內所能傳遞的範圍。當我們打開其中一個箱子，若發現其中是左手手套，便能瞬間確定另一個箱子中的手套必然是右手。

這似乎與量子力學的「量子塌縮」概念相矛盾，因為未進行量測的系統不應發生塌縮。然而，當我們對其中一個箱子進行量測後，立即得知了另一個「未量測」箱子中的手套狀態。這看似訊息的傳播速度超越了光速，從而違反了狹義相對論。這正是愛因斯坦所稱的「鬼魅般的超距作用」，即量子糾纏中存在超越時空限制的瞬時關聯性。

然而，這並不意味著量子糾纏能用來傳遞可操作的訊息。無論我們對其中一個箱子進行何種量測，對另一個箱子旁的人來說，手套是左手或右手的機率依然各半，且他也不會知道另一邊已經進行了量測。因此，量子糾纏並未真正違反狹義相對論。

教學說明影片

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