量子隐形传态（上）：如何实现绝对安全的信息传输？

出品：科普中国

作者：栾春阳（清华大学物理系）

监制：中国科普博览

最近，《哆啦A梦》又有新电影上映了，勾起了很多人的童年回忆。还记得，小时候这个电视剧里最吸引人的神奇道具之一，就是可以实现远距离传输真实物体的“任意门”。

《哆啦A梦》里的任意门

（图片来源：Doraemon wiki）

虽然人们至今还无法实现真实物体的远距离传输，但是科学家们受到科幻作品的启发，已经实现了微观粒子量子态的远距离传输，这也正是今天我们要分享的“量子隐形传态”。

量子隐形传态中的“隐形传态”，就是指不改变某个微观粒子的位置，而将微观粒子的量子态信息直接进行远距离传输，从而避免了微观粒子本身的传送过程。

因此，量子隐形传态作为一种全新的信息传输方案，可以避免微观粒子的传送过程中容易被不法分子窃听的问题，从而保证了信息传送的绝对安全性。

量子隐形传态（quantum teleportation）概念方案图

（图片来源：Wikipedia）

在实际应用中，量子隐形传态方案已经实现了上千公里的超远距离传递，并且具有较高的信息传输规模，从而成为了实现绝对安全的量子保密信息传输的关键技术之一。

那么，科学家们是如何提出如此奇妙的量子隐形传态方案呢？要想实现该方案，我们需要做哪些技术储备呢？对于量子隐形传态方案，科学家们目前又取得了哪些研究突破和具体应用了呢？

量子隐形传态的基础——奇妙的“量子纠缠”

其实，要想将某个微观粒子的量子态，通过量子隐形传态方案传输到远处，并不能像科幻作品中那样，说一声“变”就能实现。而是需要消息的发送方和接收方，提前拥有一对特殊的“电报机”才可以实现。在量子隐形传态方案中，通常采用一对处于量子纠缠状态的量子比特来充当这对“电报机”。

生活中的电报机

（图片来源：veer图库）

因此，要想了解量子隐形传态方案，我们就必须要先了解一下什么是量子纠缠。

在奇妙的量子世界中，量子比特就是我们所能调控和运算的最小信息单元。而量子比特之间会发生奇妙的量子纠缠，仿佛“心灵感应”一般，可以实现远距离的相互作用。

打个比方，一对处于量子纠缠状态的量子比特就像一副手套一样，它们之间无论相距多远，总是彼此存在特定的关联。

假如其中一只手套被遗忘在家里，而另外一只手套仍然在我们随身的包中。在我们未观察到包中的手套状态之前，我们并不知道这两只手套各自的状态，只能说它们处于不确定的“左/右”纠缠状态。

一旦我们观察到包中的手套处于左手的确定状态时，我们就可以立即推断出，遗忘在家里的手套是处于右手的确定状态。也就是说，虽然我们没有拿到另外一只手套，却已经完成了手套状态的信息传输。

处于量子纠缠的一对量子比特

（图片来源：veer图库）

对于一对处于量子纠缠状态的量子比特而言，也是类似的道理，无论彼此相距多远，它们之间始终存在特殊的关联性。当发送方的量子比特的状态发生改变，接收方的量子比特也会发生相应的变化。

因此，科学家们就可以利用量子比特之间奇妙的量子纠缠，来作为通信双方特殊的“电报机”，实现微观粒子量子态的远距离传输。

量子隐形传态的第一步——分发处于量子纠缠状态的量子比特对

作为远距离量子信息传输的核心技术，量子隐形传态需要利用量子纠缠技术，来将微观粒子的量子态传输到遥远的地方，从而实现绝对安全和可靠的量子信息传输。

因此，这对量子比特作为双方特制的“电报机”，就需要科学家们提前将这对量子比特，分发到信息的发送方和接收方，从而让双方采用量子隐形传态方案，实现微观粒子的量子态传输

量子比特纠缠对的分发过程示意图

（图片来源：作者自绘）

为了让大家能够更加直观地理解上述过程，我们可以采取如下的假设：

首先，小王在甲地，而小李在遥远的乙地。此时，小王希望将自己手中微观粒子的量子态，采用量子隐形传态方案来安全地传输给远处的小李。

那么，小王和小李就需要一对处于量子纠缠状态的量子比特，作为彼此特制的“电报机”。接下来，科学家们就需要将一对纠缠的量子比特A和B，分别分发给小王和小李。

需要注意的是，由于量子比特A和B的分发过程，极其容易受到外界环境的干扰而降低保真度。因此，科学家们需要采用光纤网络或者卫星传输等特定方式，来保证小王和小李各自都能接收到保真度足够高的量子比特A和B。

也就是说，虽然在理论上，量子隐形传态方案可以将微观粒子的量子态传输到任意远的距离。然而，受限于量子纠缠对有效的分发距离，微观粒子量子态的实际传输距离仍然需要一步一步地提升。

量子隐形传态的第二步——通信双方还需要再次沟通

在完成量子比特的分发后，小王和小李就各自拥有了量子比特A和B，并且两个量子比特之间仍然存在量子纠缠。

那么，小王就可以将自己手中的微观粒子与量子比特A，进行一系列的特定测量操作，并且根据不同的测量操作得到一系列的测量结果。这个过程可以类比于，小王采用自己手中特制的“电报机”，来将微观粒子的量子态信息与“电报机”进行一系列的交互操作。

量子态信息的发送方进行操作的示意图

（图片来源：作者自绘）

与此同时，量子比特A在经过小王的操作后已经发生改变。由于量子比特A和B之间存在量子纠缠，小李手中的量子比特B也会随之发生改变。

但是，小李此时并不知道量子比特B发生的改变究竟意味着什么。只有小王告诉小李，当初对量子比特A做了哪些测量操作和测量结果，小李才可以读懂量子比特B改变的含义。

量子态信息的接收方进行操作的示意图

（图片来源：作者自绘）

这个过程有点难以理解，我们仍然可以用“电报机”进行类比。

也就是说，此时小李手中的“电报机”虽然也出现了一系列的变化，但是小李并不知道“电报机”输出的奇怪代码如何才能正确翻译成为真实传输的量子信息。那么，小李就需要等到小王告诉他当初采取了怎样的编码规则，才可以真正读取微观粒子的量子态信息。

因此我们不难发现，在量子隐形传态方案中，虽然通信双方可以借助量子纠缠来实现“瞬间的”量子态信息的传输，然而信息的接收方却无法直接读取量子态的信息。

也就是说，只有通信双方借助光纤网络、卫星传输等经典信道，来实现彼此的测量信息交互，才能真正完成量子隐形传态过程。

结语

综上所述，量子隐形传态的优势在于能够将微观粒子的量子态信息绝对安全地传输到遥远的地方，而不需要传输物体本身。

但是，受限于量子纠缠对有效的分发距离，科学家们仍然致力于不断提升微观粒子量子态的实际传输距离。此外，早期的量子隐形传态方案信息传输的规模十分有限，单次只能传输微观粒子少量的量子态信息，并不能有效传输微观粒子的全部量子态信息。

那么，为了解决实际传输距离和传输规模的两大限制，足智多谋的科学家们在实际应用中又采用了哪些奇妙的解决方案呢？当前，量子隐形传态方案又是否已经在实际中得到应用了呢？请各位小伙伴保持好奇心，让我们在下一篇文章中为大家一一解答心中的疑惑吧！