量子隱形傳態(tài)

　　必須說(shuō)明的是，量子遙傳并不會(huì)傳送任何物質(zhì)或能量。這樣的技術(shù)在量子信息與量子計(jì)算上相當(dāng)有幫助。然而，這方式無(wú)法傳遞傳統(tǒng)的資訊，因此無(wú)法使用在超光速的通訊上面。量子遙傳與一般所說(shuō)的瞬間移動(dòng)沒(méi)有關(guān)系–量子遙傳無(wú)法傳遞系統(tǒng)本身，也無(wú)法用來(lái)安排分子以在另一端組成物體。

　　2015年12月11日，英國(guó)物理學(xué)會(huì)主辦的《物理世界》（Physics World）公布2015年度國(guó)際物理學(xué)領(lǐng)域的十項(xiàng)重大突破，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉、陸朝陽(yáng)等以“多自由度量子隱形傳態(tài)”的研究成果榮登榜首；中國(guó)科學(xué)院物理所方忠、翁紅明等憑借外爾費(fèi)米子的先驅(qū)性研究入選。

　　定義

　　量子隱形傳態(tài)(quantumteleportation) 是經(jīng)由經(jīng)典通道和EPR 通道傳送未知量子態(tài)。

　　通俗來(lái)講就是：將甲地的某一粒子的未知量子態(tài)，在乙地的另一粒子上還原出來(lái)。量子力學(xué)的不確定原理和量子態(tài)不可克隆原理，限制我們將原量子態(tài)的所有信息精確地全部提取出來(lái)。因此必須將原量子態(tài)的所有信息分為經(jīng)典信息和量子信息兩部分，它們分別由經(jīng)典通道和量子通道送到乙地。根據(jù)這些信息，在乙地構(gòu)造出原量子態(tài)的全貌。

　　過(guò)程

　　要實(shí)現(xiàn)量子隱形傳態(tài)，首先要求接收方和發(fā)送方擁有一對(duì)共享的EPR對(duì)（即BELL態(tài)（貝爾態(tài)）），發(fā)送方對(duì)他所擁有的一半EPR對(duì)和所要發(fā)送的信息所在的粒子進(jìn)行聯(lián)合測(cè)量，這樣接收方所有的另一半EPR對(duì)將在瞬間坍縮為另一狀態(tài)（具體坍縮為哪一狀態(tài)取決于發(fā)送方的不同測(cè)量結(jié)果）。發(fā)送方將測(cè)量結(jié)果通過(guò)經(jīng)典信道傳送給接收方，接收方根據(jù)這條信息對(duì)自己所擁有的另一半EPR對(duì)做相應(yīng)幺正變換即可恢復(fù)原本信息。到乙地,根據(jù)這些信息,在乙地構(gòu)造出原量子態(tài)的全貌。

　　與廣為傳言的說(shuō)法不同，量子隱形傳態(tài)需要借助經(jīng)典信道才能實(shí)現(xiàn)，因此并不能實(shí)現(xiàn)超光速通信。

　　在這個(gè)過(guò)程中，原物始終留在發(fā)送者處，被傳送的僅僅是原物的量子態(tài)，而且，發(fā)送者對(duì)這個(gè)量子態(tài)始終一無(wú)所知；

　　接受者是將別的物質(zhì)單元(如粒子)制備成為與原物完全相同的量子態(tài)，他對(duì)這個(gè)量子態(tài)也始終一無(wú)所知；

　　原物的量子態(tài)在測(cè)量時(shí)已被破壞掉——不違背“量子不可克隆定理”；

　　未知量子態(tài)(量子比特)的這種傳送，需要經(jīng)典信道傳送經(jīng)典信息(即發(fā)送者的測(cè)量結(jié)果)，傳送速度不可能超過(guò)光速——不違背相對(duì)論的原理。

　　原理

　　量子隱形傳態(tài)的基本原理，就是對(duì)待傳送的未知量子態(tài)與EPR對(duì)的其中一個(gè)粒子實(shí)施聯(lián)合Bell基測(cè)量，由于EPR對(duì)的量子非局域關(guān)聯(lián)特性，此時(shí)未知態(tài)的全部量子信息將會(huì)“轉(zhuǎn)移”到EPR對(duì)的第二個(gè)粒子上，只要根據(jù)經(jīng)典通道傳送的Bell基測(cè)量結(jié)果，對(duì)EPR的第二個(gè)粒子的量子態(tài)施行適當(dāng)?shù)溺壅儞Q，就可使這個(gè)粒子處于與待傳送的未知態(tài)完全相同的量子態(tài)，從而在EPR的第二個(gè)粒子上實(shí)現(xiàn)對(duì)未知態(tài)的重現(xiàn)。

　　研究成果

　　1997年中國(guó)實(shí)現(xiàn)量子通信100公里隱形傳態(tài)，奧地利Zeilinger小組在室內(nèi)首次完成了量子隱形傳態(tài)的原理性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，成為量子信息實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域的經(jīng)典之作。2004年，該小組利用多瑙河底的光纖信道，成功地將量子隱形傳態(tài)距離提高到了600米。但是由于光纖信道中的損耗和退相干效應(yīng)，傳態(tài)的距離受到了極大的限制，如何大幅度地提高量子隱形傳態(tài)的距離成了量子信息實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域的重要研究方向。

　　2004年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的潘建偉、彭承志等研究人員開始探索在自由空間信道中實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的量子通信。該小組2005年在合肥創(chuàng)造了13公里的雙向量子糾纏分發(fā)世界紀(jì)錄，同時(shí)驗(yàn)證了在外層空間與地球之間分發(fā)糾纏光子對(duì)的可行性。

　　2007年開始，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)-清華大學(xué)聯(lián)合研究小組開始在北京八達(dá)嶺與河北懷來(lái)之間架設(shè)長(zhǎng)達(dá)16公里的自由空間量子信道，并取得了一系列關(guān)鍵技術(shù)突破，最終在2009年成功實(shí)現(xiàn)了世界上最遠(yuǎn)距離的量子隱形傳態(tài)，證實(shí)了量子隱形傳態(tài)過(guò)程穿越大氣層的可行性，為未來(lái)基于衛(wèi)星中繼的全球化量子通信網(wǎng)鑒定了可靠基礎(chǔ)。除此之外，聯(lián)合小組還在該研究平臺(tái)上針對(duì)未來(lái)空間量子通信需求開展了誘騙態(tài)量子密鑰分發(fā)等多個(gè)方向的研究，取得了豐富的成果。

　　2012年8月，中國(guó)科學(xué)家潘建偉等人在國(guó)際上首次成功實(shí)現(xiàn)百公里量級(jí)的自由空間量子隱形傳態(tài)和糾纏分發(fā)，為發(fā)射全球首顆“量子通訊衛(wèi)星”奠定技術(shù)基礎(chǔ)。“在高損耗的地面成功傳輸100公里，意味著在低損耗的太空傳輸距離將能達(dá)到1000公里以上，基本上解決了量子通訊衛(wèi)星的遠(yuǎn)距離信息傳輸問(wèn)題。

　　2012年9月，維也納大學(xué)和奧地利科學(xué)院的物理學(xué)家實(shí)現(xiàn)了量子態(tài)隱形傳態(tài)最遠(yuǎn)距離——143公里，創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄。

　　2015年。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士及其同事陸朝陽(yáng)、劉乃樂(lè)等組成的研究小組在國(guó)際上首次成功實(shí)現(xiàn)多自由度量子體系的隱形傳態(tài)。這是自1997年國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)單一自由度量子隱形傳態(tài)以來(lái)，是量子信息實(shí)驗(yàn)研究領(lǐng)域取得的又一重大突破，將為發(fā)展可擴(kuò)展的量子計(jì)算和量子網(wǎng)絡(luò)技術(shù)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

　　科學(xué)意義

　　量子隱形傳態(tài)是量子通信中最簡(jiǎn)單的一種。 從事量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)，是實(shí)現(xiàn)全球量子通信網(wǎng)絡(luò)的可行性的前提研究。

　　量子通信擁有“絕不泄密”的本領(lǐng)，保護(hù)用戶通信安全。由于量子具有不可再分、不可復(fù)制的特性，如果在傳輸中受到干擾就會(huì)改變狀態(tài)，接收方就可以發(fā)現(xiàn)。也就是說(shuō)，除了在保護(hù)通信安全的前提下，量子通信還有“反竊聽”的功能。如果有人竊聽，信息就被偷聽動(dòng)作改變了，從而可以保證內(nèi)容的絕密。