[科普中国]-大变光子魔术 潘建伟团队实现地星间量子隐形传态

提到“瞬间传输”，不少人脑子里会浮现起《星际迷航》。虽然我们目前离瞬间传输人类还很遥远，但中国科学家已经借助量子科学卫星“墨子号”，实现了地星之间量子态的“瞬间传输”。科幻剧《星际迷航》中瞬间传送人类画面。北京时间8月10日凌晨，世界顶级学术期刊《自然》报道了中国科学技术大学潘建伟团队的两项最新成果，其中一项就是地星之间的量子隐形传态。论文的第一作者、中科大上海研究院任继刚副研究员向澎湃新闻强调，量子隐形传态是利用量子纠缠可以将物质的未知量子态精确传送到遥远地点，而不用传送物质本身，远距离量子隐形传态是未来实现大尺度分布式量子信息处理网络的基本单元。量子纠缠态：超越光速的传输？在一个月以前，潘建伟团队曾登上另一顶级期刊《科学》的封面。当时，他们创下了世界量子纠缠分发距离的记录，达到1200千米，实现了一个数量级上的突破。量子是物理学中不可再分的基本单元，由德国物理学家普朗克在1900年首次提出。比如，光子就是量子性的，不存在“半个光子”的说法。科学家们在量子的世界中，发现了许多奇妙的现象。其中，量子纠缠就是一种奇妙的表现，爱因斯坦称之为“鬼魅般的超距作用”。处于纠缠态的两个量子不论相距多远都存在一种关联，其中一个量子状态发生改变（比如人们对其进行观测），另一个的状态会瞬时发生相应改变，仿佛“心灵感应”。比方说，如果一个光子的偏振态是“向上”的，那么另一个光子的偏振态必然是“向下”的。这个构思源于爱因斯坦（Einstein）、波多尔斯基（Podolsky）和罗森（Rosen）在头脑里做的一个实验，因此，这样的一对粒子也被称为“EPR”对。在量子纠缠的帮助下，量子态的塌缩是瞬间发生的。这就好比，你去北京出差，打开行李箱一看，只带了一只左手的手套。那么，你立刻就能知道，落在上海家中的另一只手套肯定是右手的。一个事件影响的传播超过了光速，这不符合定域实在论。终其一生，爱因斯坦都认为量子力学是个不完备的理论。不过，后人在实验中成功地实现了量子纠缠，“墨子号”卫星将纠缠光子对分发到青海德令哈和云南丽江地面站，更是刷新了量子纠缠的最远距离：1200公里。量子隐形传态：到底是什么“瞬移”了？这次，潘建伟团队在量子纠缠的基础上更进一步，玩了一个更为匪夷所思的“魔术”：大变光子。首先，科研人员在西藏阿里的地面站制备纠缠光子对A和B，将其中一个光子B分发给“墨子号”卫星，组成一条隐形传态的信道。科研人员同时对另一个地面上的光子C和A进行一个操作，称为“贝尔态测量”（BSM）。根据量子的一些基本特性，光子C和A经过测量之后，他们的量子态会改变，与A处于纠缠态的B也会发生相应变化。在得到某一个测量结果时，光子B恰好会变到光子C最初的状态。也就是说，一个与原来的光子A状态一模一样的光子，出现在了卫星上，仿佛光子A完成了“瞬间移动”。这里面有两个值得注意的地方：首先，这并不是光子本身被转移到卫星上，原来的光子A还在地面上，而且状态已经由于测量而改变了。所以，这中间并不存在“复制”的问题。即使有朝一日，科技的发展真的能实现人类的隐形传态，我们也大可不必担忧世界上存在“两个我”的伦理问题。另一方面，在量子隐形传态的过程中，信息的传播并没有超过光速。如果信息的发送方想要通过卫星这个中继站，把手中光子的量子态传给另一个地面站的接收方，那么他们需要通过传统的通信渠道，比如电话、短信或者互联网，沟通贝尔态测量结果。“百年物理学21篇经典论文”1993年，IBM的查尔斯·本内特（Charles H.Bennett）和其他5位科学家一起提出了量子隐形传态的构想。值得一提的是，此次潘建伟团队发表在《自然》上的另一个实验，量子密钥分发，也是基于本内特和合作者在1984年提出的一个构想。1997年，潘建伟在他的老师、奥地利因斯布鲁克大学的蔡林格（AntonZeilinger）团队首次实现了单光子自旋态的传输。这篇题为《实验量子隐形传态》的论文后来入选了《自然》杂志的“百年物理学21篇经典论文”，跟它并列的论文包括伦琴发现X射线、爱因斯坦建立相对论、沃森和克里克发现DNA双螺旋结构等。不过，考虑到光子在光纤中的损耗率，量子隐形传态的距离拓展一直十分艰难。直到2004年，蔡林格团队才利用多瑙河底的光纤信道，将量子隐形传态距离提高到600米。2008年，潘建伟团队与清华大学合作，在北京八达岭与河北怀来之间实现了16公里的量子态隐形传态，相当于此前世界纪录的27倍。2012年，潘建伟团队在青海湖实现了97公里自由空间的量子态隐形传输。2015年，潘建伟团队首次实现单光子多自由度的量子隐形传态，也就是说，传输了一个单光子的多个信息。2015年，潘建伟团队多光子纠缠干涉成果获得了2015年度国家自然科学一等奖。“上传”与“下载”自2005年加入潘建伟团队以来，任继刚就一直进行量子隐形传态的研究工作，并参与了上述八达岭和青海湖等实验。在任继刚看来，在这次“墨子号”圆满完成的三大科学实验任务：量子纠缠分发、量子隐形传态、量子密钥分发中，地星之间量子隐形传态最大的挑战，在于它是唯一一个从地面往上传的实验。“那两个实验（量子纠缠分发和量子密钥分发）是从天上往地下发，地面上是大口径的望远镜接收。这种大口径的望远镜，我们国家的技术已经比较成熟。”从卫星上下行的光束，先经过长距离的真空，再穿过最后十几公里的近地面大气层，光斑直径大约有十几米。此时产生一些扰动，对接收效果影响并不大。而从地面“上传”，光束会首先经过大气层的干扰。为此，团队挑选了阿里这个实验地点：海拔高，光束可以少“走”一些路，年均降水少，空气干燥，人类活动的干扰较少。不过，研究人员也不得不接受恶劣的自然条件的挑战。在这次实验中，量子纠缠和贝尔态测量都是在阿里的地面站中进行的。下一步，团队将先进行远距离的量子纠缠分发，再进行贝尔态测量，实现地面站之间的量子隐形传态。我们当然可以畅想，未来有一天，我们站在地面的机器里，说出《星际迷航》中的那句经典台词：“Beam meup.”（传送我吧）。我们的身体被分解成无数粒子，然后这些粒子的状态被传送给卫星里的粒子。这时，一个“我”在地面上被分解了，一个“我”在卫星上重构。不过，量子隐形传态目前处于十分初期的发展阶段，因而，我们还无需过早地操心“卫星上的那个我还是不是我”这种哲学问题。编辑：p_xiaojtan