星地量子隱形傳態成功 「瞬間轉移」不遠了?

2020-11-24 華商網

　　8月10日凌晨，中國科技大學潘建偉、彭承志團隊聯合中科院上海技物所等單位宣布，「墨子號」在國際上首次成功實現了從衛星到地面的量子密鑰分發和從地面到衛星的量子隱形傳態。這是繼今年6月實現千公裡級星地雙向量子糾纏分發和量子力學非定域性檢驗後，我國科學家利用「墨子號」實現的又兩項重大突破。

　　千裡糾纏、星地傳密、隱形傳態，中國科學院表示，「墨子號」衛星上天一年，已提前完成既定科學目標，將「絕對保密」的量子通信從理論向實用化再次推進了一大步，並為我國未來繼續引領世界量子通信技術發展奠定堅實基礎。

　　星地量子隱形傳態成功有什麼意義?是否意味著距「瞬間轉移」實現已經不遠了?華商報記者近日專訪了西安交通大學理學院應用物理系的湯衛東博士。湯衛東博士從事量子信息理論研究，2006年到2013年曾在潘建偉院士的研究團隊學習、工作多年。

　　量子糾纏的關聯速度可超過光速

　　華商報：什麼是量子，量子有哪些神奇的的特性?

　　湯衛東：量子就是各種物理量比如能量、動量等的最小單元。在微觀世界中，很多規律和我們宏觀世界是很不一樣的。例如一個粒子可以同時穿過兩個縫(波動性的體現);粒子的瞬時速度是光速(測不準關係);如果把粒子比作水的話，你一直盯著水看，就會發現水永遠燒不開(量子芝諾效應)。這些都和我們日常生活中經驗是相違背的。

　　量子力學的神奇，首先體現在疊加態。不是指多個量子態疊加在一起，而是是指單個量子態可以同時存在好幾種狀態，好比會「分身術」，甚至還可以是完全相反的狀態，比如薛丁格的貓可以「既死又活」。依靠這一點，可以幫計算機實現並行計算，極大地提高運行速度。

　　其次是，我們可以製備出一種叫做糾纏態的量子態。這種量子態帶有一種奇妙的關聯，測量改變其中一個量子態的狀態，另一個的狀態就會瞬間改變，無論兩者距離多遠，哪怕一個在地球，另一個在月球。這種關聯產生的速度超過光速，被稱為量子的非定域性。這是科學中最奇特的現象之一，甚至連愛因斯坦都不能接受，稱之為「鬼魅般的超距作用」。這次星地之間的實驗，再次證明了量子的非定域性特點。

　　除了量子疊加、量子糾纏之外，量子態還有個特點：不可克隆，利用這些性質可以製作出最安全的密鑰，讓信息傳輸變得更安全。

　　要讓五個量子產生糾纏 難度好比五根手指去按光速運行的五隻跳蚤

　　華商報：該怎麼理解量子糾纏?量子糾纏容易實現嗎?

　　湯衛東：信息除了可以存在各個粒子上之外，也可以儲存在兩個或多個粒子之間，這就是量子糾纏。舉個形象的例子來說，一家人有兩個兒子，有一定家產，假定折合為1000萬元。某天，兩人的父親去世了，兩個兒子開始分家產，每人拿的錢是不確定的。小兒子拿錢多少，取決於大兒子拿錢多少，信息儲存在他們拿錢的和為1000萬元上，他們各自拿錢的量就是糾纏的。當然，這種情況屬於經典關聯，可以用來幫助理解量子糾纏。其實微觀情況更有意思，量子糾纏還會破壞這種經典的因果關聯。

　　量子糾纏可在兩個或多個相互關聯的微觀粒子之間實現。要讓多個量子之間產生糾纏態並對其測量驗證，比如五光子糾纏，其難度好比「用五根手指去按以光速運行的五隻跳蚤」，但潘院士的團隊做到了。

　　量子隱形傳態 傳的是信息而非物質

　　華商報：什麼是量子隱形傳態?傳遞的到底是什麼?

　　湯衛東：量子隱形傳態，是在一對量子糾纏資源的輔助下，將某個未知量子態信息傳遞到另外一個地方。傳遞的是信息，而非物質。若用「瞬間轉移」來形容，轉移的也只是量子態，並不是粒子本身。

　　隱形傳態也稱隱態傳輸，這種操作方法的基本思路是：甲、乙處於兩個不同地方，甲試圖把手裡一個未知的粒子態傳給乙，在不直接傳這個粒子的情況下，他可通過兩人共享的一對糾纏粒子態的輔助來實現這一目的。甲只需對手頭兩個粒子進行某種特殊的量子測量，把測量結果打個電話告訴乙，乙對手頭的那個粒子(即共享的糾纏態粒子)進行相應操作後，這個粒子的狀態就恰好是甲需要傳給乙的那個粒子態。

　　在這個過程中，並沒有真把粒子傳過去，而只相當於甲破壞了原先要傳輸的那個粒子的狀態，而在乙處重新生成了想要傳輸的狀態。

　　華商報：這次量子隱形傳態實驗有啥不一樣的地方?

　　湯衛東：量子隱形傳態最早應該是1997年實現的，當時潘老師在奧地利因斯布魯克大學的塞林格教授組裡讀博士，他們在《自然》上發表了一篇題為《實驗量子隱形傳態》的文章，這篇文章後來入選了《自然》雜誌的「百年物理學21篇經典論文」。不過，1997年實現的是單個光子的單個自由度的量子隱形傳態。2015年，才實現了單個光子的多個自由度的量子隱形傳態。「墨子號」最新的實驗不同的地方在於，實現了從地面到衛星的遠距離的量子隱形傳態。好比變魔術一般，實現了地星之間量子態的「瞬間傳輸」。

　　量子隱形傳態是建立全球化量子網絡的關鍵

　　華商報：量子隱形傳態，能給人們的生活帶來哪些變化?

　　湯衛東：「墨子號」之前，量子隱形傳態的相關實驗技術經過了多年發展，但由於光纖的損耗，最遠的傳輸距離只能達到100公裡量級。這次實驗完成了1400公裡距離的量子隱形傳態。遠距離的量子隱形傳態，被認為是建立大規模全球化的量子網絡的重要環節。量子網絡可用於實現更加安全可靠的量子通信，和計算能力更強的分布式量子計算。不過，量子隱形傳態現在也就只能傳少量粒子態以及少量自由度情況，離應用還非常遠。已經獲得應用的是量子密碼，目前在軍事、金融、政務方面已經開始應用，我國已經建了好幾個量子政務網。

　　即便隱態傳輸一個分子，要實現也得幾十年

　　華商報：利用量子隱形傳態有可能實現物質瞬間轉移嗎?

　　湯衛東：傳遞物質就不叫隱形傳態了。如果要利用量子隱形傳態對物質進行傳輸，大概要經過這麼一個過程：首先，要實現宏觀物體通過隱形傳態來傳遞量子態信息，然後根據這些信息異地重塑出宏觀物體。這就要求必須要有足夠多粒子的糾纏態來輔助，還要能夠對組成宏觀物體的那麼多微觀粒子實現精準操控和測量，此外還要有利用接收到的量子態信息重塑物質的技術，最後還要有合適的材料來使用。我估計，即便是傳遞由十幾個原子組成的分子的糾纏態信息，然後把它異地重塑出來，也需要幾十年。高分子化合物，需要的時間可能會更久。

　　華商報：固體、液體、氣體，哪種狀態的物質，量子態信息傳遞最難?

　　湯衛東：如果從內部相互作用看，氣體之間相互作用弱，甚至有時候可以近似為單個粒子情況，一般而言較為簡單。而液體、固體由於其內部複雜的相互作用，其難度應該是同一量級的，技術上是相當地困難，可能只存在著理論上的可能。液體可能還要額外解決一個流動性問題。

　　人「瞬間轉移」理論上有可能 現實也許無法實現

　　華商報：要實現人的「瞬間轉移」有可能嗎?需要經歷哪些階段?

　　湯衛東：理論上的確可以，例如可以成功製備一個超級多粒子的糾纏態(大概需要10的23次方量級之上)，相應的測量技術以及同步通訊技術也都能跟上，否則複雜的人體內微觀粒子之間相互作用將會導致信息嚴重失真。但目前的技術最多也只能做到幾十個粒子糾纏態。所以幾乎可以肯定地說，這樣的技術在我們人類歷史上應該是達不到的。並且前面所說的這些技術，幾乎哪個都無法邁過。

　　華商記者 馬虎振

　　■名詞解釋：自由度

　　自由度是描述一個體系所需的變量的數目。比如在數學中，對於一條線上的一個點，描述它只需一個數，自由度就是1;對於一個面上的一個點，自由度就是2;對於三維空間中的一個點，自由度就是3。在經典物理學中，描述三維空間中一個運動的粒子，除了需要知道位置的3個分量，還要知道動量的3個分量，所以自由度就是6。光子除了動量等自由度外，還具有偏振和軌道角動量，它們也是兩個自由度。在以前的實驗中，傳的只是偏振的狀態。但如果想傳輸一個光子更完整的信息，就需要把這兩個自由度的狀態都傳過去。潘院士的研究組實現的就是這件事。


編輯：華商報供稿

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