量子隐形传态：“隔空传物”会实现吗？

常常有人用科幻电影中的隔空传物与量子隐形传态做类比，畅想未来量子隐形传态给人类生活带来的变化。量子隐形传态简单来说就是甲地的某一粒子的未知量子态，在乙地的另一粒子上还原出来，并且原物的量子态在测量时已被破坏掉—不违背“量子不可克隆定理”。这个概念诞生于 1993 年，当时来自世界各地的 6 位理论物理学家合作发表了名为《通过经典和量子纠缠信道传输未知量子态》的文章，即量子隐形传态。以下简略介绍这篇文章里讲述的内容。

如果要将粒子 C 的未知量子态X 从 Alice 传输到 Bob，科学家目前进行量子隐形传态实验的原理大致如下。

第一步，制造量子纠缠光子对对粒子 A 和粒子 B，并将粒子 A 和粒子 B 分别发送给 Alice 和 Bob。

第二步，Alice 对粒子 C 和粒子 A 做一次名叫贝尔态分析的联合测量，这个测量能让粒子 A 和粒子 C 随机以 4 种可能的方式纠缠起来，对应贝尔态分析的 4 种结果。

第三步，因为“幽灵般的超距作用”，粒子 B 也会因为粒子 A 被测量而发生变化，呈现出与贝尔态分析 4 种结果相关的 4 种状态之一，这 4 种状态可以理解为量子态X 的其他表现形式。

最后，Alice 只需要将她的贝尔态分析结果通过经典信道告诉Bob，Bob 就可以采取对应的手段，将粒子 B 转换到量子态X。

如果用一句简单的话来概括这个过程，那就是贝尔态分析让粒子 C与纠缠粒子中的粒子 A 产生关联，因此将粒子 C 的状态瞬间转移到另一个纠缠粒子 B 上。

1997 年，中国科学院院士、“墨子号”团队领军人物潘建伟正在奥地利留学，攻读维也纳大学博士学位。他的老师正是前文提到的奥地利物理学家蔡林格。在蔡林格的带领下，潘建伟及其团队首次利用光子偏振在实验上实现了量子隐形传态，将一个光子的未知偏振在不传送该光子本身的前提下，利用量子纠缠成功传输到另一个光子上。该实验成果直观地向人们展示了量子力学的神奇，在当时引起巨大轰动，与伦琴发现 X 射线、爱因斯坦建立相对论、沃森和克里克发现 DNA 双螺旋结构等世界重大科技成果一起入选了《自然》杂志“百年物理学 21篇经典论文”，潘建伟为该实验成果论文的第二作者。

量子隐形传态是量子信息处理网络的基本要素，对量子通信和量子计算的发展至关重要，因此也是量子信息技术领域的研究热点。后来，科学家们在冷原子、离子阱、超导、量子点和金刚石色心等物理系统中也实现了量子隐形传态，但都局限于单个粒子的单一自由度。2006年，潘建伟及其团队首次实现两个光子的偏振态传输；2015年，该团队实现了多自由度的量子隐形传态，同时该团队不断拓展量子隐形传态的传输距离；2017年，该团队借助“墨子号”量子科学实验卫星实现了长达 1400km 的地星量子隐形传态实验。这一系列突破为发展可扩展的量子计算和量子网络技术奠定了坚实基础。

量子隐形传态无论在粒子数目、自由度数目，还是在传输距离方面，相比于早期实验都已经取得了飞跃式进步，但是离实现科幻小说中所描述的“隔空传物”仍有很大的距离，科学家们仍在向着更高的目标继续探索。

--摘自《星耀中国 我们的量子科学卫星》