瞬間傳輸 量子隱形傳態有多神奇

2020-11-26 網易新聞

瞬間傳輸 量子隱形傳態有多神奇

2017-08-14 01:31:34　來源:

華商網-華商報 舉報

（原標題：瞬間傳輸 量子隱形傳態有多神奇）

　　A和B間進行量子隱形傳態的過程：
　　 A擁有的光子1和B擁有的光子2之間是糾纏對，構成量子通道(通過量子衛星實現)
　　 通過對光子1、量子態3共同進行測量，測量後量子態3隱形，光子1變化
　　 A將測量結果用經典通道（如電話）告知B，B根據收到的測量結果，經處理光子2變成光子1最開始的樣子
　　 而這之間的形態變化都是超光速
　　 雖然科幻電影中人的「瞬間傳輸」還是個夢，但中國科學技術大學潘建偉、彭承志團隊已經實現了地面與量子衛星「墨子號」之間量子態的「瞬間傳輸」——量子隱形傳態和量子密鑰分發。
　　 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。
　　 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博士湯衛東。湯衛東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。
　　打開腦洞
　　來認識量子微觀世界
　　 在量子的微觀世界，很多規律和我們宏觀世界很不一樣，「量子糾纏」是量子力學中反直覺的現象之一，通俗來講，就是兩個相隔很遠的粒子，它們擁有某種「神奇的默契」，可以在沒有任何通訊的情況下呈現出一致的狀態。如果其中一個量子的狀態發生改變，另一個量子的狀態也會瞬時發生相應改變。
　　 而「量子隱形傳態」就是量子糾纏的一種奇妙應用。它可以使量子信息或者稱為量子態在某處消失，隨後在遠處重現，有點像神話中的「瞬間轉移」。但值得注意的是，量子隱形傳態傳遞的並不是物質本身，光子並沒有千裡迢迢地跑到另一處。相反它是利用一端的信息在另一個很遠的地方將原先的量子態重塑出來，而原先的量子態會因為測量遭到破壞。
　　 也因為量子不可克隆，信道中的竊聽者無法直接複製量子態，想要獲取密鑰的信息不可避免地會對系統造成擾動，這一擾動會被通信雙方發覺，且加密內容不可破譯。因此，基於「量子密鑰」的量子通信，是一種「原理上無條件安全」的通信方式。
　　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。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，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」。
　　 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
　　好比用手指去按光速運行的5個跳蚤
　　 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。
　　 隱形傳態操作的基本思路是：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。
　　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：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。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。 華商報記者 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。  

(原標題：瞬間傳輸 量子隱形傳態有多神奇)

本文來源：華商網-華商報 責任編輯：王曉易_NE0011

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