今天，我們來介紹量子隱形傳態。這大概是整個量子信息中最具有科幻色彩的技術，因為它就是科幻作品中的——傳送術。是的，傳送術是有科學原理的！這是一個真正驚人的消息。
西瓜視頻：
https://www.ixigua.com/6910102637312475652
本視頻發布於2020年12月25日，播放量已近四百萬
我們在這個系列的最初說過，中央集體學習的量子科技叫做量子信息，它包括量子通信和量子計算（讓中央集體學習的量子科技究竟是啥？這個科普我已經做了五年（一）量子是什麼 | 袁嵐峰）。前面兩期，我們介紹了量子計算。下面，我們來介紹量子通信。
說到量子通信，首先需要明白，這是一個廣泛的研究領域，包含若干種不同的技術，量子隱形傳態（quantum teleportation）、量子密碼（quantum cryptography）、超密編碼（dense coding）等等。媒體經常把這些技術攪和在一起，讓讀者稀裡糊塗。實際上，媒體最常提到的量子通信技術是量子密碼，這個我們會在後面介紹。
今天，我們來介紹量子隱形傳態。這大概是整個量子信息中最具有科幻色彩的技術，因為它就是科幻作品中的——傳送術。是的，傳送術是有科學原理的！這是一個真正驚人的消息。
我們來講一個相關的故事。有一位偉大的科學家叫做理察·漢明（Richard Wesley Hamming，1915 - 1998），他是資訊理論的創始人之一。
1986年，他做了一個著名的演講《你和你的研究》（You and your research）（http://www.cs.virginia.edu/~robins/YouAndYourResearch.html），講了許多做人和做研究的大道理，我從中受益匪淺。
有趣的是，演講中有這樣一段：
「我們沒有研究過（1）時間旅行，（2）傳送術，（3）反重力。這些不是重要的問題，因為我們沒辦法處理它們。使一個問題重要的，不是解決它帶來的後果，而是你有合理的辦法來對付它。」【We didn't work on (1) time travel, (2) teleportation, and (3) antigravity. They are not important problems because we do not have an attack. It's not the consequence that makes a problem important, it is that you have a reasonable attack.】你看，傳送術當時被他跟時間旅行和反重力並列。但1993年，六位理論物理學家提出了一個方案，通過經典信道和量子糾纏信道傳輸未知量子態，這就是量子隱形傳態。1997年，實驗實現了這個方案。
所以在漢明做演講的1986年，傳送術還是一個純粹的科幻。但在1993年尤其是1997年之後，傳送術已經有科學原理了！
以後你就可以出一道題：下面哪一個跟其他性質不同？（1）時間旅行，（2）傳送術，（3）反重力。答案是：傳送術！
只要你記住這一點，你的知識水平已經超過了90%的人。不過我們立刻要加上一個提醒：量子隱形傳態現在還不能傳送一個人，我們可以做到的是傳送一個粒子。
關於這項技術，有大量的誤解。下面，我們就來解釋若干個它「不是」什麼，然後你就知道它「是」什麼了。
首先，它傳的不是粒子，而是狀態。
也就是說，我們並不是讓一個物體在這裡消失，在那裡出現，而是讓一個物體的狀態出現在遠處的材料上。首先要有材料。打個比方，這裡有一輛車，那裡有一堆汽車零件，傳送的結果是遠處的汽車零件組裝成了一輛車。
量子隱形傳態
然後，它不是複製，而是傳送。經常有人以為，這樣會得到兩個相同的人，於是立刻就產生一大堆倫理問題：哪個是真正的自己？！
實際上，在把狀態傳到遠處的同時，本地粒子的狀態必然會改變。好比遠處的汽車零件組裝成了一輛車，同時本地的汽車變成了一堆零件。所以永遠都不會出現相同的兩個狀態，不會出現相同的兩個人。
然後，它不是瞬間傳輸，而是需要時間的。經常有人以為量子隱形傳態是超光速傳輸，很遺憾，這又是錯的。
量子隱形傳態有若干個步驟，其中有一步是傳輸一個經典的信息。這一步要用經典的通信方法實現，最高速度就是光速。所以量子隱形傳態整個過程的最高速度也是光速，而不是無窮大。好比你開著一輛跑車狂奔，然後遇到一段堵車，那麼你在其他路段跑得再快也沒用，整個行程的速度都被這段堵車拖下來了。
最後，它不是掃描出狀態再傳輸，而是傳輸未知狀態。科幻作品中經常把傳送術表現為先掃描一遍，讀出一個物體的狀態，然後傳過去。
但我們在前面講過，量子力學中的測量就會改變體系的狀態（讓中央集體學習的量子科技究竟是啥？這個科普我已經做了五年（二）量子力學三大奧義 | 袁嵐峰），所以這條路是行不通的。量子隱形傳態實際的做法非常巧妙，是通過量子糾纏來傳輸一個未知的狀態。好比一個忠實的快遞員，從頭至尾不知道包裹裡放的是什麼，但原原本本地傳到了目的地。東風快遞，使命必達！
總結一下，量子隱形傳態是以不高於光速的速度、破壞性地把一個體系的未知狀態傳輸給另一個體系。打個比方，用顏色表示狀態。A粒子最初是紅色的，通過量子隱形傳態，我們讓遠處的B粒子變成紅色，同時A粒子變成了綠色。但我們完全不需要知道A最初是什麼顏色，無論A是什麼顏色，這套方法都可以保證B變成A最初的顏色。
如果你記住了量子隱形傳態是什麼和不是什麼，還記住了它是通過量子糾纏實現的，那麼你的知識水平就超過了99%的人。
如果你想知道它的具體步驟，那麼我在這裡只能大致告訴你：它需要用到三個粒子。
待傳輸狀態的粒子是A，另外兩個粒子B和C處於糾纏態。然後我們讓A和C糾纏起來，對AC的整體做一個測量，測量結果是00、01、10、11這四個字符串之一。把這個測量結果發給遠處的人，他根據這個信息對B做一個操作，就能讓B變成A最初的狀態。
量子隱形傳態原理（https://www.nature.com/articles/37539/figures/1）如果你聽不懂，這是正常的。不過如果你能記住用到了三個粒子、對兩個粒子做測量，那麼你的知識水平就超過了99.9%的人。如果你真的想透徹了解，那麼你需要去看量子信息的專業教材，這知識水平就超過99.99%的人了。
量子隱形傳態是量子通信中的一個技術，而它最大的用處，卻是在量子計算當中。這是因為量子力學有一條定理，叫做量子態不可克隆，意思就是：一個未知的量子態是無法複製的。如果是已知的量子態，那當然可以複製，但未知的就不行。由此導致的一個後果是，量子計算機是沒有複製這個操作的。
請仔細想想，這是多麼驚人的一件事！在經典計算機中，我們整天用複製，例如windows中的ctrl + c然後ctrl + v，誰也不會覺得這有什麼奇怪。但在量子計算機中，這個基本操作卻是無法實現的。
對於一個未知的量子比特，你不能複製，只能移動。移動的辦法，就是量子隱形傳態。這就是量子隱形傳態在量子計算中的作用，好比windows中的剪切，ctrl + x然後ctrl + v。
量子隱形傳態現在哪個國家最先進？回答是中國。這裡有個有趣的故事。
1997年，潘建偉在奧地利因斯布魯克大學的塞林格（Anton Zeilinger）教授組裡讀博士。
他們在《Nature》上發了一篇文章，標題是《實驗量子隱形傳態》（Experimental quantum teleportation）。這就是前面說的，量子隱形傳態的第一次實現。潘建偉是這篇論文的第二作者。
（https://www.nature.com/articles/37539）這篇文章引起了巨大的轟動，入選了《Nature》的「百年物理學21篇經典論文」。跟它並列的論文，包括倫琴發現X射線、愛因斯坦建立相對論、沃森和克裡克發現DNA雙螺旋結構等等。
塞林格問過潘建偉一個CCTV風格的問題：你的夢想是什麼？潘建偉的回答是：在中國建設一個世界一流的量子物理實驗室。
然後怎麼樣？他做到了！
回到科大工作以後，潘建偉真的建立了一個世界一流的量子物理實驗室，做出了許多世界領先的成果，培養了許多傑出人才。
2015年，潘建偉和陸朝陽等人在《Nature》上發表了一篇文章，標題是《單個光子的多個自由度的量子隱形傳態》（Quantum teleportation of multiple degrees of freedom of a single photon）。
2015年實現多自由度量子隱形傳態的論文（https://www.nature.com/articles/nature14246）你看明白他們的新成果是什麼了嗎？新成果是「多個自由度」。自由度就是描述一個體系所需的變量數目。簡而言之，就是以前只能傳一個性質，現在能傳多個性質。多個是多少呢？其實就是兩個。
打個比方，前面我們用顏色來表示狀態，現在用顏色和形狀來表示狀態。A粒子最初是紅色的球，通過量子隱形傳態，我們讓B粒子變成紅色的球，同時A變成了綠色的方塊。
《道德經》說：「道生一，一生二，二生三，三生萬物。」1997年，量子隱形傳態實現了道生一。2015年，實現了一生二。從一到二，走了18年之久。
這項成果引起了巨大的轟動，被英國物理學會評為2015年十大物理學突破之首。這項成果還有一個奇妙的效果，就是開啟了我的科普生涯。
2015年3月，我在微博上發了第一篇科普文章，標題是《科普量子瞬間傳輸技術，包你懂！》（https://weibo.com/p/1001603817899448994963），引起了廣泛的關注。現在大家在這裡見到我，就要追溯到多個自由度的量子隱形傳態。
作者的第一篇科普文章《科普量子瞬間傳輸技術，包你懂！》量子隱形傳態的另一個研究方向，是擴展傳輸距離。2010年和2012年，潘建偉團隊分別在長城和青海湖上空實現了16公裡和97公裡的量子隱形傳態。2017年，他們又實現了「墨子號」量子科學實驗衛星與地面站之間的量子隱形傳態，距離長達1400公裡。所以在這個研究方向上，中國也走在世界最前列。
最後，你可能想問一個問題：我們什麼時候能傳一個人？
對此可以做一個大致的估計。12克碳原子是1摩爾，即阿伏伽德羅常數個原子，大約是6.023 × 1023。人的體重如果是60公斤，就大約有5000摩爾即3 × 1027個原子。描述一個原子的狀態，姑且算作10個自由度，那麼要描述一個人，就需要1028量級的自由度。
我們現在是什麼水平呢？我們剛剛從1進步到了2……所以，嗯，我們的徵途是星辰大海！向著夕陽奔跑吧，少年！
《科普量子瞬間傳輸技術，包你懂！》（https://weibo.com/p/1001603817899448994963）背景簡介：本文作者袁嵐峰，中國科學技術大學化學博士，中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心副研究員，科技與戰略風雲學會會長，「科技袁人」節目主講人，安徽省科學技術協會常務委員，中國青少年新媒體協會常務理事，入選「典贊·2018科普中國」十大科學傳播人物，微博@中科大胡不歸，知乎@袁嵐峰（https://www.zhihu.com/people/yuan-lan-feng-8）。