編者按：人們對(duì)于“瞬間移動(dòng)”這樣的科技幻能總是懷有好奇心，夢(mèng)想著有一天能夠飛速到達(dá)自己想去的地方，隨著物理學(xué)家和工程師逐步揭開量子隱形傳輸技術(shù)神秘的面紗，大家傾向于將“瞬間移動(dòng)”等同于“量子隱形傳輸”，但是本文作者Andrian Cho的答案可能會(huì)令大家感到失望了。
有兩個(gè)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在量子隱形傳輸研究領(lǐng)域創(chuàng)造了新的傳輸記錄：利用深不可測的量子力學(xué)知識(shí)將一個(gè)粒子的量子態(tài)迅速從一個(gè)位置遷移到另一個(gè)位置的粒子上。其中一個(gè)團(tuán)隊(duì)采用這種方法，運(yùn)用一種光學(xué)纖維將一個(gè)光子的量子態(tài)穿越加拿大西南部的一個(gè)城市，卡爾加里，傳輸?shù)?.2公里之外；另一個(gè)團(tuán)隊(duì)將多個(gè)光子的量子態(tài)穿越中國上海，傳輸?shù)?4.7公里之外。
據(jù)Nature Photonics今天報(bào)道，這兩個(gè)團(tuán)隊(duì)在量子隱形傳輸領(lǐng)域的突破最終將催生一個(gè)牢不可破的量子互聯(lián)網(wǎng)。但是，量子隱形傳輸是否會(huì)帶來其他令人意想不到的裨益？未來，我們真的能利用它在一月一個(gè)寒冷的早晨實(shí)現(xiàn)“瞬間移動(dòng)”嗎？
非常抱歉給出的答案令大家失望，但是，事實(shí)是，這種“科技幻能”將永遠(yuǎn)不能實(shí)現(xiàn)。撇去這種技術(shù)的名稱不說，量子隱形傳輸與科幻電視系列劇《星際迷航》及其他科幻小說中描述的“瞬間移動(dòng)”真的一點(diǎn)關(guān)系都沒有。這種類型的“瞬間移動(dòng)”通常是分解一個(gè)物質(zhì)對(duì)象，通過空間傳輸分子物質(zhì)，然后再另一個(gè)遙遠(yuǎn)的地方立即且完美地重組該物質(zhì)實(shí)體。量子隱形傳輸不分解和重組任何對(duì)象，不涉及任何物質(zhì)的移動(dòng)。此外，該技術(shù)只運(yùn)用于單一量子粒子層面：光子，電子，原子等。不論怎樣，量子隱形傳輸與“真的”瞬間移動(dòng)除了名稱相同外，再無其他共同點(diǎn)。
與將一個(gè)遠(yuǎn)征隊(duì)送到一個(gè)人類未至的星球上如此大的壯舉相比，量子隱形傳輸?shù)摹靶∧繕?biāo)”似乎稍顯遜色，不過，卻有一種微妙的魔力。量子隱形傳輸能夠立即將一個(gè)粒子的量子態(tài)傳輸?shù)饺我庖粋€(gè)未知的位置，卻不傳送粒子本身。在某種意義上，有點(diǎn)像按照一個(gè)時(shí)鐘上顯示的時(shí)間，一模一樣地調(diào)整遠(yuǎn)處另一個(gè)時(shí)鐘上的時(shí)間。
為何讀取一個(gè)時(shí)鐘的時(shí)間，之后再另一個(gè)時(shí)鐘上設(shè)置相同的時(shí)間，能夠?yàn)槲覀儙砣绱舜蟮恼鸷常?/p>
與讀取時(shí)鐘所顯示的時(shí)間相比，一個(gè)粒子，如一個(gè)光子，的量子態(tài)更為復(fù)雜，更為微妙。讀取一個(gè)時(shí)鐘所顯示的時(shí)間，然后，在另一個(gè)時(shí)鐘上設(shè)置相同的時(shí)間，這種操作簡單的不能再簡單了，但是，我們無法在不改變一個(gè)粒子的量子態(tài)的前提下測量其量子態(tài)。我們無法將一個(gè)粒子的量子態(tài)“克隆”到另一個(gè)粒子上。量子力學(xué)的規(guī)律是不允許這樣做的。相反，我們需要做的是找到一種方法，將甲粒子的量子態(tài)遷移到乙粒子上，而無需測量甲粒子的量子態(tài)。按上面提到的“時(shí)鐘類比”來理解，就好像是在將一個(gè)時(shí)鐘所顯示的時(shí)間遷移到另一個(gè)時(shí)鐘上，前提是不看第一個(gè)時(shí)鐘上的時(shí)間。
這的確有點(diǎn)難。你需要對(duì)量子態(tài)有些了解，才能更好地理解量子隱形傳輸。以單個(gè)光子為例。光子實(shí)質(zhì)上是一種電磁波，因而，光子能夠被“極化”，其電場將呈現(xiàn)水平或垂直分布。在神奇的量子力學(xué)中，光子能夠同時(shí)以兩種狀態(tài)分布——因而，光子能夠同時(shí)被垂直和水平極化。光子的狀態(tài)由垂直量和水平量共同決定。
但是，量子隱形傳輸所涉及的知識(shí)并不是這么簡單。除了光子能夠同時(shí)呈垂直和水平兩種偏振態(tài)，光子的狀態(tài)由另一個(gè)參數(shù)決定，即“相位”。故，光子的狀態(tài)由垂直量、水平量及相位三者共同決定。可以將光子想象成一個(gè)抽象的球體，北極代表垂直偏振態(tài)，南極代表后期的水平偏振態(tài)。
光子的精確狀態(tài)是球體上的一個(gè)點(diǎn)，緯度代表在該狀態(tài)水平偏振態(tài)和垂直偏振態(tài)之間的平衡，經(jīng)度代表相位。因此，例如，赤道上的每一個(gè)點(diǎn)代表光子的一個(gè)狀態(tài)，在該狀態(tài)下垂直偏振態(tài)與水平偏振態(tài)達(dá)到平衡，但是，該狀態(tài)的相位卻是不同的，這時(shí)的相位能夠通過某些更為復(fù)雜的測量方法獲得。
我們不能夠直接從該“抽象球體”上直接讀取該點(diǎn)（光子）的狀態(tài)，因?yàn)榱孔恿Ｗ拥臏y量結(jié)果僅能夠提供有限的信息。就一個(gè)處于未知狀態(tài)的光子而言，我們不能問球體上該狀態(tài)的“坐標(biāo)”是什么。相反，必須采用一種測量方法才能確定該狀態(tài)的坐標(biāo)。一個(gè)尤為重要的問題是：這個(gè)光子的極化方式是什么，垂直式或水平式？運(yùn)用這種測量方法將獲取一種結(jié)果，或者能夠獲取另一種結(jié)果，但是獲取另一種結(jié)果的概率是由光子所處狀態(tài)的垂直和水平偏振態(tài)共同決定的。不過，運(yùn)用這種測量方法不能得出該狀態(tài)的相位。測量光子的狀態(tài)將導(dǎo)致原有狀態(tài)發(fā)生改變，光子的狀態(tài)將偏向一個(gè)極，完全呈水平偏振態(tài)或垂直偏振態(tài)。根據(jù)量子理論，打亂光子原有的狀態(tài)是不可避免的。
運(yùn)用“布洛赫球”上的一個(gè)點(diǎn)的“坐標(biāo)”描述單個(gè)光子的狀態(tài)。該點(diǎn)的緯度（角θ）決定水平極化和垂直極化兩者間的平衡狀態(tài)。經(jīng)度（角ψ）沒有對(duì)應(yīng)的經(jīng)典類比量，但是會(huì)產(chǎn)生許多不可思議的量子影響。
要實(shí)現(xiàn)量子隱形傳輸需要更多的光子，這又體現(xiàn)了量子力學(xué)不可思議的一面。兩個(gè)光子可以用一種微妙的聯(lián)系連接在一起，我們稱之為“糾纏度量”。當(dāng)兩個(gè)光子“糾纏”在一起時(shí)，每一個(gè)光子的狀態(tài)是完全不確定的，但是，兩個(gè)光子的狀態(tài)是緊密聯(lián)系在一起的。因而，在我們的抽象球體上，每一個(gè)光子所處的位置依然是完全不確定——可以毫不夸張地講，一個(gè)光子在不同的狀態(tài)將指向任意一個(gè)方向。盡管存在這種不確定性，兩個(gè)光子所處的狀態(tài)能夠緊密聯(lián)系在一起，因而其量子態(tài)是完全相同的。也就是說，如果我們測量一個(gè)光子所處的狀態(tài)，最終將導(dǎo)致其原始量子態(tài)發(fā)生變化，根據(jù)上述分析，我們會(huì)知道，不論兩個(gè)光子相距多遠(yuǎn)，第二個(gè)光子的量子態(tài)將立即隨第一個(gè)光子的量子態(tài)同步變化。對(duì)于量子隱形傳輸來講，這種類型的光子對(duì)極為重要。
下面我們來介紹量子態(tài)緊密相聯(lián)的光子對(duì)是如何實(shí)現(xiàn)量子隱形傳輸?shù)?/span>。假定有兩個(gè)人，分別命名為Alice和Bob，另外還有第三個(gè)人Charlie處于Alice與Bob之間。Alice準(zhǔn)備傳輸一個(gè)光子，即她把這個(gè)光子定位于抽象球體的一個(gè)點(diǎn)上，通過光學(xué)纖維將光子傳送給Charlie。與此同時(shí)，Charlie準(zhǔn)備好一對(duì)相互“糾纏”的光子。他保留其中一個(gè)光子，將另一個(gè)光子傳送給Bob。
現(xiàn)在我們來看一下兩個(gè)相互“糾纏”的光子是如何實(shí)現(xiàn)量子隱形傳輸?shù)?/span>。當(dāng)Charlie接收到Alice的光子，他可以收下這個(gè)光子，并在自己保留的光子和來自Alice的光子之間構(gòu)建一種特殊的“聯(lián)合”測量方法。由于量子測量將改變光子的原始狀態(tài)，Charlie的測量實(shí)質(zhì)上將強(qiáng)制性地把這兩個(gè)光子置于一種相互“糾纏”的狀態(tài)。（Charlie的測量實(shí)質(zhì)上提出這樣一個(gè)問題：這兩個(gè)光子是處于一個(gè)特殊的相互“糾纏”的狀態(tài)，還是處于一個(gè)互補(bǔ)的狀態(tài)？）
一旦Charlie用這種“糾纏度量”來測量兩個(gè)光子的狀態(tài)——來自Alice的光子與他從原始“糾纏”光子對(duì)中保留的光子，一件令人吃驚的事情將要發(fā)生了。由Charlie傳送給Bob的光子立即還原Alice原來擁有的光子的量子態(tài)。也就是說，Alice的光子在球體上的坐標(biāo)已經(jīng)被隱形傳輸給Bob的光子，即使Bob離Charlie的距離有幾公里遠(yuǎn)。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果在很大程度上依賴于“糾纏度量”內(nèi)在的聯(lián)系。此外，為了弄清楚：為什么Alice光子的量子態(tài)最終遷移到Bob光子上，我們最好還是回過頭來，好好思考這個(gè)數(shù)學(xué)問題。一旦我們熟悉這種測量方法，任意一個(gè)學(xué)習(xí)過高中代數(shù)的人都會(huì)做這種計(jì)算。
與上述講到的數(shù)學(xué)算法唯一不同的是，物理學(xué)家在實(shí)驗(yàn)中要保證兩個(gè)光子的基本狀態(tài)所到達(dá)的時(shí)間稍微不同，而不是極化狀態(tài)不同。實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)在于：要確保傳送給Bob的兩個(gè)光子到達(dá)的時(shí)間大致相同，而且顏色和極化狀態(tài)都要相同，否則，實(shí)驗(yàn)將不能成功進(jìn)行。要在如此遠(yuǎn)的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)隱形傳輸，這些將是技術(shù)層面的挑戰(zhàn)。
即使上述分析有些抽象，量子隱形傳輸可以用于建立量子互聯(lián)網(wǎng)。量子互聯(lián)網(wǎng)將會(huì)與我們現(xiàn)在的互聯(lián)網(wǎng)一樣，不過，能夠允許用戶傳輸量子態(tài)，及量子態(tài)所包含的信息，不用傳輸經(jīng)典信息，傳輸所耗費(fèi)的時(shí)間為0秒到1秒之間。
目前，物理學(xué)家和工程師已經(jīng)構(gòu)建出了不太成熟的量子互聯(lián)網(wǎng)，能夠運(yùn)用光學(xué)纖維傳送安全信息。這些技術(shù)是通過運(yùn)用單個(gè)光子分布數(shù)值鍵加密或解密經(jīng)過編碼的信息。該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)主要在于病毒代碼不能在不干擾光子，暴露自己的情況下，測量這些光子的量子態(tài)。但是，目前，這類網(wǎng)絡(luò)不全是以量子力學(xué)為理論支撐，因?yàn)樵诰W(wǎng)絡(luò)的每一個(gè)結(jié)點(diǎn)出都需要對(duì)信息進(jìn)行解碼，編碼，使得這些結(jié)點(diǎn)容易影響黑客。
運(yùn)用量子隱形傳輸技術(shù)，物理學(xué)家與工程師可能會(huì)在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中相距較遠(yuǎn)的結(jié)點(diǎn)間建立一種“糾纏”聯(lián)系。原則上，這將導(dǎo)致用戶在這些結(jié)點(diǎn)處忽略一些經(jīng)過編碼的信息，使得這些信息不易被破解。如果物理學(xué)家能夠成功地研發(fā)出一種通用的量子計(jì)算機(jī)——使這種計(jì)算機(jī)能夠運(yùn)用量子比特進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算效率由于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，這種類型的量子網(wǎng)絡(luò)將運(yùn)用從遠(yuǎn)程終端加載計(jì)算機(jī)的初始設(shè)置。
沒有人知道？不過，量子互聯(lián)網(wǎng)將有可能比通用量子計(jì)算機(jī)更早地出現(xiàn)在我們的生活中。
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