量子隱形傳態(tài)：“隔空傳物”會實現(xiàn)嗎？

常常有人用科幻電影中的隔空傳物與量子隱形傳態(tài)做類比，暢想未來量子隱形傳態(tài)給人類生活帶來的變化。量子隱形傳態(tài)簡單來說就是甲地的某一粒子的未知量子態(tài)，在乙地的另一粒子上還原出來，并且原物的量子態(tài)在測量時已被破壞掉—不違背“量子不可克隆定理”。這個概念誕生于 1993 年，當(dāng)時來自世界各地的 6 位理論物理學(xué)家合作發(fā)表了名為《通過經(jīng)典和量子糾纏信道傳輸未知量子態(tài)》的文章，即量子隱形傳態(tài)。以下簡略介紹這篇文章里講述的內(nèi)容。

如果要將粒子 C 的未知量子態(tài)X 從 Alice 傳輸?shù)?Bob，科學(xué)家目前進(jìn)行量子隱形傳態(tài)實驗的原理大致如下。

第一步，制造量子糾纏光子對對粒子 A 和粒子 B，并將粒子 A 和粒子 B 分別發(fā)送給 Alice 和 Bob。

第二步，Alice 對粒子 C 和粒子 A 做一次名叫貝爾態(tài)分析的聯(lián)合測量，這個測量能讓粒子 A 和粒子 C 隨機以 4 種可能的方式糾纏起來，對應(yīng)貝爾態(tài)分析的 4 種結(jié)果。

第三步，因為“幽靈般的超距作用”，粒子 B 也會因為粒子 A 被測量而發(fā)生變化，呈現(xiàn)出與貝爾態(tài)分析 4 種結(jié)果相關(guān)的 4 種狀態(tài)之一，這 4 種狀態(tài)可以理解為量子態(tài)X 的其他表現(xiàn)形式。

最后，Alice 只需要將她的貝爾態(tài)分析結(jié)果通過經(jīng)典信道告訴Bob，Bob 就可以采取對應(yīng)的手段，將粒子 B 轉(zhuǎn)換到量子態(tài)X。

如果用一句簡單的話來概括這個過程，那就是貝爾態(tài)分析讓粒子 C與糾纏粒子中的粒子 A 產(chǎn)生關(guān)聯(lián)，因此將粒子 C 的狀態(tài)瞬間轉(zhuǎn)移到另一個糾纏粒子 B 上。

1997 年，中國科學(xué)院院士、“墨子號”團(tuán)隊領(lǐng)軍人物潘建偉正在奧地利留學(xué)，攻讀維也納大學(xué)博士學(xué)位。他的老師正是前文提到的奧地利物理學(xué)家蔡林格。在蔡林格的帶領(lǐng)下，潘建偉及其團(tuán)隊首次利用光子偏振在實驗上實現(xiàn)了量子隱形傳態(tài)，將一個光子的未知偏振在不傳送該光子本身的前提下，利用量子糾纏成功傳輸?shù)搅硪粋€光子上。該實驗成果直觀地向人們展示了量子力學(xué)的神奇，在當(dāng)時引起巨大轟動，與倫琴發(fā)現(xiàn) X 射線、愛因斯坦建立相對論、沃森和克里克發(fā)現(xiàn) DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)等世界重大科技成果一起入選了《自然》雜志“百年物理學(xué) 21篇經(jīng)典論文”，潘建偉為該實驗成果論文的第二作者。

量子隱形傳態(tài)是量子信息處理網(wǎng)絡(luò)的基本要素，對量子通信和量子計算的發(fā)展至關(guān)重要，因此也是量子信息技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點。后來，科學(xué)家們在冷原子、離子阱、超導(dǎo)、量子點和金剛石色心等物理系統(tǒng)中也實現(xiàn)了量子隱形傳態(tài)，但都局限于單個粒子的單一自由度。2006年，潘建偉及其團(tuán)隊首次實現(xiàn)兩個光子的偏振態(tài)傳輸；2015年，該團(tuán)隊實現(xiàn)了多自由度的量子隱形傳態(tài)，同時該團(tuán)隊不斷拓展量子隱形傳態(tài)的傳輸距離；2017年，該團(tuán)隊借助“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星實現(xiàn)了長達(dá) 1400km 的地星量子隱形傳態(tài)實驗。這一系列突破為發(fā)展可擴展的量子計算和量子網(wǎng)絡(luò)技術(shù)奠定了堅實基礎(chǔ)。

量子隱形傳態(tài)無論在粒子數(shù)目、自由度數(shù)目，還是在傳輸距離方面，相比于早期實驗都已經(jīng)取得了飛躍式進(jìn)步，但是離實現(xiàn)科幻小說中所描述的“隔空傳物”仍有很大的距離，科學(xué)家們?nèi)栽谙蛑叩哪繕?biāo)繼續(xù)探索。

--摘自《星耀中國 我們的量子科學(xué)衛(wèi)星》