日本國立信息學(xué)研究所（東京）與俄羅斯科學(xué)院2014年6月30日宣布“成功開發(fā)出了新的宏觀物體瞬移方法”。
科幻片中的隱形傳態(tài)是指瞬間將人和物體從一個地方傳送到另一個地方的“瞬間移動”。看到這則消息，恐怕每個人都會好奇：像“任意門”一樣的瞬間移動真的能夠?qū)崿F(xiàn)嗎？近期將在英國物理學(xué)雜志上刊登論文的俄羅斯科學(xué)院化學(xué)物理問題研究所的Alexey Pyrkov與日本國立信息學(xué)研究所的Tim Byrnes為我們介紹了成果的內(nèi)容。
“恐怖的遠程操作”
日本國立信息學(xué)研究所的Tim Byrnes（攝影：陶山勉）
準(zhǔn)確來說，此次發(fā)表的是“量子隱形傳態(tài)”的研究成果。在討論人能否實現(xiàn)隱形傳態(tài)之前，首先讓我來介紹一下什么是量子隱形傳態(tài)。
我們身邊的物質(zhì)是由原子和電子等微小的粒子組成。這些粒子上疊加著代表微細狀態(tài)的“信息”。例如原子和電子的“自旋”，光的組成粒子光子的“偏光”等。量子隱形傳態(tài)是使粒子的這些相關(guān)信息瞬間轉(zhuǎn)移到遠方的技術(shù)。粒子本身其實并不移動，而是在微細的粒子水平下，代表粒子狀態(tài)的信息完全轉(zhuǎn)移到其他粒子上，就可以認為是與粒子本身發(fā)生移動基本相同。
解釋原子、電子、光子等粒子行為的學(xué)科叫作“量子力學(xué)”。量子隱形傳態(tài)利用了由量子力學(xué)理論推導(dǎo)出的奇特物理現(xiàn)象“量子糾纏”。
那么，什么是量子糾纏？舉例來說，在某個地點同時制作出兩個粒子，這兩個粒子將同時具有類似于“雙胞胎”的特殊關(guān)系。即使兩個粒子飛向不同的方向，只要途中沒有遇到阻礙，二者的狀態(tài)在物理學(xué)上來說，就可以利用一個方程式來解釋。因此，只要檢測“雙胞胎”粒子中一方的自旋和偏光等狀態(tài)，另一個粒子即使遠在宇宙的另一端，其狀態(tài)也能自動確定。眾所周知，以“相對論”而聞名的物理學(xué)家愛因斯坦當(dāng)初曾經(jīng)炮轟這種現(xiàn)象是“怪異的遠程操作”。
1993年，美國的物理學(xué)家設(shè)想出了利用量子糾纏實現(xiàn)量子隱形傳態(tài)的方法。根據(jù)他的方案，奧地利的研究小組于1997年首次成功利用光子完成了量子隱形傳態(tài)實驗。2012年，同樣由奧地利等國家參與的國際研究小組在大西洋的島嶼之間創(chuàng)造了143公里的隱形傳態(tài)歷史最遠紀(jì)錄。
不知道信息內(nèi)容也可以傳輸
那么，要想讓自己身邊的粒子狀態(tài)瞬間移動到遠方，應(yīng)該怎么做？比如說，讓愛麗絲通過隱形傳態(tài)向鮑勃發(fā)送信息，現(xiàn)在知道的是要遵循以下步驟。
首先要制作處于量子糾纏態(tài)的粒子A和B，粒子A發(fā)送給愛麗絲，粒子B發(fā)送給鮑勃。接著，愛麗絲使疊加了準(zhǔn)備發(fā)送給鮑勃信息的粒子P與手頭的粒子A產(chǎn)生量子糾纏關(guān)系，測量其狀態(tài)。應(yīng)用前面介紹的遠程操作原理，粒子P疊加的信息能夠瞬間轉(zhuǎn)移到鮑勃的粒子B上。
但有一點需要注意的是，按照上面的步驟，愛麗絲傳送給鮑勃的信息并不完整。還需要增加一個步驟。那就是愛麗絲通過某種方式，把自己測得的“粒子P與粒子A糾纏態(tài)的測量結(jié)果”發(fā)送給鮑勃，鮑勃根據(jù)接收到的結(jié)果，通過簡單的步驟對轉(zhuǎn)移到粒子B的信息進行修正。這樣，鮑勃就獲得了愛麗絲希望發(fā)送的粒子P的完整信息。而愛麗絲原本持有的粒子P在與粒子A處于糾纏態(tài)后，其疊加的信息會隨之消失。這樣就做到了隱形傳態(tài)。
因為需要略做“修正”，所以雖然是隱形傳態(tài)，但信息的移動速度無法超過光速。說到這里，或許會有讀者產(chǎn)生疑問：“既然如此，通過電話和互聯(lián)網(wǎng)向鮑勃發(fā)送信息不就好了？”其實并非如此。這項技術(shù)的優(yōu)勢在于愛麗絲即使不知道粒子P的詳細信息，也能向鮑勃發(fā)送。為什么“不知道也能發(fā)送”會成為優(yōu)點呢？舉一個容易理解的例子，使人體發(fā)生瞬間移動時，事先調(diào)查人體所有組成粒子的信息幾乎是不可能的。
下面介紹量子隱形傳態(tài)。這次日本國立信息學(xué)研究所與俄羅斯科學(xué)院這次的研究成果究竟有什么新發(fā)現(xiàn)呢？
其實，前面介紹的量子隱形傳態(tài)實驗的成功先例都是使用極少數(shù)的光子和原子。而不是像科幻片中人和物體的隱形傳態(tài)那樣，傳輸由數(shù)量龐大的粒子組成的“宏觀物體”。在過去，肉眼可見的“宏觀物體”的量子隱形傳態(tài)一直被認為是極其困難的。
為什么少數(shù)粒子的隱形傳態(tài)可以實現(xiàn)，而由大量粒子組成的物體難以實現(xiàn)？這是因為粒子的數(shù)量越多，越容易受到外界的各種影響，從而導(dǎo)致量子糾纏態(tài)快速消失。如果無法保持量子糾纏態(tài)，就無法實現(xiàn)隱形傳態(tài)。
宏觀物體也可使用的量子糾纏態(tài)
不過，研究小組此次從理論上證明了一個結(jié)論：通過改進方法，宏觀物體也可以實現(xiàn)量子隱形傳態(tài)。具體來說，就是發(fā)現(xiàn)了能夠遏制宏觀物體免受外界影響的新量子糾纏態(tài)。
這是一種什么樣的狀態(tài)呢？用一句話來概括，就是利用物質(zhì)的“玻色-愛因斯坦凝聚”狀態(tài)。物理學(xué)家玻色與愛因斯坦提出的玻色-愛因斯坦凝聚是指大量粒子在極低溫度下狀態(tài)趨同的現(xiàn)象。“超導(dǎo)”、“超流”等著名的物理現(xiàn)象都與玻色-愛因斯坦凝聚有關(guān)。
前面所說的愛麗絲與鮑勃之間的量子隱形傳態(tài)使用了A、B、P共3個粒子。而此次新開發(fā)的方法利用處于玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)的眾多粒子置換了這這些粒子。并且通過改進幾個條件，實現(xiàn)了宏觀物體在愛麗絲與鮑勃之間的瞬間移動。
這次的理論研究成果能否在實驗中得到證實呢？研究小組表示，利用小型實驗裝置實現(xiàn)玻色-愛因斯坦凝聚的技術(shù)已經(jīng)確立，今后，宏觀水平的隱形傳態(tài)完全有可能在實驗中得到證實。
人體瞬間移動能否實現(xiàn)？
最后，讓我們一同來看大家最關(guān)心與好奇的問題。此次開發(fā)的技術(shù)在未來能否推動人體隱形傳態(tài)的實現(xiàn)？對于這個問題，日本國立信息學(xué)研究所的Byrnes給出了下面的回答。
“量子隱形傳態(tài)只能傳輸代表物體狀態(tài)的信息。要想實現(xiàn)人體瞬移，需要在其他地方準(zhǔn)備原子等材料。而且，人體所包含的信息比此次提出的方法能夠移動的信息要復(fù)雜得多。人體隱形傳態(tài)在理論上或許可行，但目前近乎不可能?！?/p>
研究的最大目的是應(yīng)用于量子計算機（攝影：陶山勉）
量子隱形傳態(tài)是使信息發(fā)生瞬間移動的技術(shù)，而非物質(zhì)。因此，Byrnes說：“在人腦中植入芯片，把腦內(nèi)信息發(fā)送至遠方或許更具有現(xiàn)實性?！?/p>
Pyrkov與Byrnes研究量子隱形傳態(tài)的最大目的是要把這項技術(shù)應(yīng)用于將會在未來投入實用的超高速計算機“量子計算機”上。量子計算機能夠利用量子力學(xué)原理，實現(xiàn)遠超傳統(tǒng)超級計算機的能力，是一種夢幻般的存在。但就目前而言，即使開發(fā)出量子計算機，也無法令所有計算都加快速度。研究小組期待借助“宏觀物體”的量子隱形傳態(tài)技術(shù)，也許能突破量子計算機的這一極限。（作者：田中 深一郎，日經(jīng)技術(shù)在線！供稿）
