按照量子態(tài)不可克隆定理，“一個(gè)未知的量子態(tài)是不可克隆的”。 1982年，有學(xué)者從量子態(tài)疊加原理的推論證明了這個(gè)定理，我們可以根據(jù)測(cè)不準(zhǔn)原理來(lái)粗略理解。從經(jīng)典“克隆”的意義上講，要精確復(fù)制一個(gè)物品，首先要得到（測(cè)量）這個(gè)物品的所有的信息。然而，對(duì)一個(gè)遵循量子規(guī)律的系統(tǒng)（比如量子比特），我們不可能同時(shí)精確測(cè)量它的所有物理量，因?yàn)榘凑铡昂Ｉy(cè)不準(zhǔn)原理”，在同一時(shí)刻以相同精度測(cè)定量子的位置與動(dòng)量是不可能的，我們只能精確測(cè)定二者之一。從量子論的觀點(diǎn)看，測(cè)不準(zhǔn)原理就是“不確定性原理”。
例如，要測(cè)量電子，一定要使用測(cè)量方法和工具對(duì)電子進(jìn)行測(cè)量，目前最好的手段就是使用激光去與電子相互作用。原子中的一個(gè)電子，從經(jīng)典角度看，它的運(yùn)動(dòng)軌道半徑?。?0-10米），運(yùn)動(dòng)速度快（10７米/秒），當(dāng)測(cè)量它的光子一撞，速度和位置就會(huì)變，又怎么可能測(cè)得準(zhǔn)呢？比如利用光被電子散射，可以測(cè)量電子的位置，但不可能將粒子的位置確定到比光的波長(zhǎng)更小?？紤]要將位置測(cè)量準(zhǔn)確，必須用更短波長(zhǎng)的光，但波長(zhǎng)更短的光子具有更大能量，對(duì)電子的狀態(tài)將產(chǎn)生更大的擾動(dòng)，導(dǎo)致速度更難被測(cè)量，也就是說(shuō)測(cè)不準(zhǔn)原理成立。換句話說(shuō)，量子態(tài)遵循“不確定性原理”，或說(shuō)量子態(tài)不可克隆。
? 一個(gè)qubit有兩個(gè)自由度，由于測(cè)不準(zhǔn)原理的限制，我們無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量這兩個(gè)自由度，也就無(wú)法精確克隆這個(gè)量子比特的狀態(tài)。因此，在通訊中使用量子比特可以保證量子密碼、量子通訊的安全性，即所謂的“量子隱形傳輸”。
? “量子隱形傳輸”設(shè)想由IBM研究中心查爾斯·亨利·貝內(nèi)特最先提出。他既是一位物理學(xué)家，也是信息理論學(xué)家，被稱為現(xiàn)代量子信息理論的開(kāi)山鼻祖之一。1970年，貝內(nèi)特獲哈佛大學(xué)博士學(xué)位，1972年加入IBM研究團(tuán)隊(duì)，1993年，Bennett六人團(tuán)隊(duì)在“物理評(píng)論快訊”上發(fā)表文章，提出了“量子態(tài)隱形傳輸”的設(shè)想（如圖）。
?圖中左邊Alice想要把量子態(tài)X傳給Bob，她利用糾纏光子對(duì)A和B。Alice擁有糾纏光子中的A，而Bob擁有B。糾纏光子A、B構(gòu)成量子通道，電話或互聯(lián)網(wǎng)則可作為經(jīng)典通道傳遞信息。首先，Alice對(duì)需要傳送的X和她手中的A作“貝爾測(cè)量”，X在測(cè)量后塌縮了，A也發(fā)生變化；又因?yàn)锳和B互相糾纏，A的變化影響B也發(fā)生變化，但Bob先無(wú)法察覺(jué)B的變化，直到從經(jīng)典通道得到Alice傳來(lái)的信息才知道B發(fā)生變化，這相當(dāng)是Alice在電話中將測(cè)量結(jié)果告訴Bob。然后，Bob對(duì)B進(jìn)行相應(yīng)的變換處理，恢復(fù)到B對(duì)應(yīng)的原來(lái)X的一樣狀態(tài)。這個(gè)傳輸過(guò)程完成之后，X塌縮隱形，X所有的信息都傳輸?shù)?/span>B上，因而稱之為“隱形傳輸”。
? 很多人可能會(huì)提出這樣的問(wèn)題：①.既然仍然使用經(jīng)典通道，為何還要量子通道？用經(jīng)典通道把全部信息傳過(guò)去不就行了？②.在Alice的方框中“貝爾測(cè)量”是什么意思？在Bob那邊的“變換處理”又是什么意思？
? 對(duì)此，關(guān)鍵在于“量子不可克隆定理”的運(yùn)用要搞清楚。按照量子不可克隆理論，我們不可能得到量子態(tài)X的全部信息，因而從經(jīng)典通道不可能傳遞所有信息。實(shí)際上，用經(jīng)典電傳（FAX）要想得到經(jīng)典物體的“所有信息”是很困難的。注意，發(fā)送電傳的過(guò)程，可以用上面量子隱形傳輸示意圖簡(jiǎn)化而得到如下所示的“電傳示意圖”：
? 圖中顯示電傳過(guò)程少了一個(gè)糾纏對(duì)構(gòu)成的量子通道。在這種傳遞過(guò)程中，“圖像”只是X的一部分信息，X的其它信息，諸如紙張材料、顏色、大小、厚度等并不能從掃描過(guò)程得到，也沒(méi)有被傳遞過(guò)去。而在量子隱形傳輸中，最后的B是和原來(lái)的X完全一樣的。換言之，電傳時(shí)傳輸后所復(fù)制出來(lái)的，只是紙上圖像的信息，沒(méi)有復(fù)制出任何'實(shí)體’本身。
? 對(duì)于單光子系統(tǒng)，考慮它的所有偏振態(tài)，可以表示為兩個(gè)基態(tài)｜1﹥和｜0﹥的線性組合：
? ｜A﹥＝a｜1﹥＋ b｜0﹥，
?如果是兩個(gè)光子的系統(tǒng)，就有4個(gè)基態(tài)：｜11＞、｜10＞、｜01＞、｜00＞。
這個(gè)兩光子系統(tǒng)的所有量子態(tài)都可以用這4個(gè)基底的線性組合來(lái)表示，也可以采用另外一種叫做貝爾態(tài)基底來(lái)表示（如同3維空間中的xyz坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)成另外一套x′y′z′坐標(biāo)軸一樣）。這樣做的目的是將原來(lái)不糾纏的基底換成4個(gè)糾纏態(tài)（貝爾態(tài)）作為基底。于是，所有2粒子的量子態(tài)都可以表示成這4個(gè)貝爾態(tài)的線性組合，也就是這4個(gè)貝爾態(tài)的疊加態(tài)，它們是
如下形式：?
? ｜f+＞ ＝｜11＞ ＋｜00＞
?? ｜f-＞ ＝｜11＞ －｜00＞
? ｜y+＞ ＝｜10＞ ＋｜01＞
? ｜y-＞ ＝｜10＞ －｜01＞
? 這四個(gè)2粒子量子態(tài)態(tài)空間的基底，都可以表示成這4個(gè)貝爾態(tài)的線性組合，也就是這4個(gè)貝爾態(tài)的疊加態(tài)：
? ｜2粒子量子態(tài)＞ = B1｜f+＞ + B2｜f-＞ + B3｜y+＞ + B4｜y-＞
?式中B1、 B2、 B3、 B4為復(fù)數(shù)，它們絕對(duì)值的平方：|Bn|2，分別表示測(cè)量時(shí)，這個(gè)2粒子量子態(tài)塌縮到相應(yīng)的貝爾態(tài)的幾率。因此，所謂的Alice對(duì)兩個(gè)光子作“貝爾測(cè)量”的意思，就是探測(cè)這個(gè)兩粒子系統(tǒng)到底塌縮到哪一個(gè)貝爾態(tài)。
? 在實(shí)驗(yàn)室里，用作兩光子貝爾態(tài)測(cè)量的主要設(shè)備是50:50分光器(beam splitter)。當(dāng)一個(gè)光子經(jīng)過(guò)分光器后，可能繼續(xù)前進(jìn)（透射），也可能被反射。光子走任何一條道路的幾率是50%。這種分光器輸出的各種情形如下圖所示。
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? 考慮兩束光A和B分別從左右兩邊入射到分光器，當(dāng)兩光束同時(shí)抵達(dá)分光器時(shí)，光子之波包相互重疊而產(chǎn)生干涉效應(yīng)。它們經(jīng)過(guò)分光器后有四種情形：
? ①．A反射、B透射；
? ②．A透射、B反射；
? ③．A反射、B反射；
? ④．A透射、B透射。
? 第一種情形，兩個(gè)輸出光子同時(shí)射向左邊（圖b所示）。情形②時(shí)兩個(gè)光子同時(shí)射向右邊（圖c所示），但我們無(wú)法區(qū)別③和④這兩種情形，因?yàn)楣庾邮遣豢蓞^(qū)分的，我們不知道從分光器射出的光子哪個(gè)來(lái)自A哪個(gè)來(lái)自B？所以，在③和④這兩種情形下，都是一個(gè)光子向左，一個(gè)光子向右（圖d所示）。
必須指出，僅用線性光學(xué)器件，不可能在實(shí)驗(yàn)中區(qū)分4個(gè)貝爾態(tài)，理論上證明最多只可能區(qū)別4個(gè)貝爾態(tài)中的3個(gè)。也就是說(shuō)，如果只用線性元件，就只能作“不完全的貝爾測(cè)量”。在上面的4個(gè)貝爾態(tài)中，｜y-＞ =｜10＞-｜01＞是一個(gè)反對(duì)稱的單態(tài)，另外的｜f+＞、｜f-＞和｜y+＞則構(gòu)成對(duì)稱的三態(tài)。利用半透半反分光器，可以將貝爾單態(tài)｜y-＞與其它貝爾態(tài)分開(kāi)。
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? 上圖所示，在光子離開(kāi)分光器(BS)出來(lái)的兩個(gè)途徑上各置一個(gè)偏振分光器（PBS）。光子經(jīng)過(guò)PBS后，按概率分成垂直偏振和水平偏振兩條路。左右兩邊的光子的兩種可能性分別由偵測(cè)器D1、D3和D2、D4探測(cè)。我們僅僅當(dāng)左右方兩個(gè)檢測(cè)器同時(shí)偵測(cè)到光子時(shí)，才作記錄，這就是所謂的同時(shí)符合測(cè)量(coincidence measurement)。這樣的設(shè)置意味著每一出來(lái)的途徑必須有一個(gè)光子，所以只有兩個(gè)可能：兩個(gè)光子經(jīng)過(guò)分光器時(shí)都繼續(xù)前進(jìn)或同時(shí)被反射，因?yàn)檫@兩種情形是無(wú)法區(qū)分的，所以出來(lái)后之兩光子態(tài)是這兩種情形之狀態(tài)的線性疊加，其振幅大小相同而符號(hào)相反。因此，在符合測(cè)量設(shè)置下，只有貝爾單態(tài)｜y-＞是容許的。這時(shí)，我們測(cè)量到了貝爾單態(tài)，而原來(lái)兩光子之狀態(tài)也崩潰成貝爾單態(tài)。
? 1997年，塞林格的奧地利研究小組第一次在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了量子隱形傳輸。2004年，這個(gè)小組又利用多瑙河底的光纖信道，成功地將量子態(tài)隱形傳輸距離提高到600米。之后，中國(guó)科大—清華聯(lián)合小組在北京八達(dá)嶺與河北懷來(lái)之間，架設(shè)長(zhǎng)16公里的自由空間量子信道，取得了一系列關(guān)鍵技術(shù)突破，2009年成功實(shí)現(xiàn)了世界上迄今為止最遠(yuǎn)距離的量子態(tài)隱形傳輸（注：現(xiàn)在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了天地之間的量子態(tài)隱形傳輸）。
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