利用量子隐形传态就能实现“瞬间移动”?

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

在上一篇文章中，我们介绍了奇妙的量子隐形传态方案，它是一种利用量子比特间的量子纠缠效应，来将量子比特的量子态传输到遥远的地方，而不用传送量子比特本身的全新技术。

需要注意的是，量子隐形传态并非我们想象中的，可以瞬时传送物质的“任意门”。这是因为，虽然发送方可以通过量子纠缠来实现量子态信息的“瞬间传输”，但是接收方仍然需要等待收到发送方的一系列指令，才能真正读取量子态的信息。

量子传输的概念图

（图片来源：veer图库）

因此，量子隐形传态方案并不能传送实物的本身，也并不能实现超光速的信息传输。该方案的核心优势在于，其可以从根本上避免量子比特在传送过程中，容易被不法分子窃听的安全问题。

实际上，量子隐形传态作为一种绝对安全的信息传输方案，已经成为远距离量子信息传输的核心功能单元。那么，既然该方案这么具有应用前景，科学家们目前已经取得了哪些研究突破和具体应用了呢？

量子隐形传态的早期发展

其实早在1993年,物理学家查尔斯·本内特（Charles H. Bennett）等人就提出，希望利用一对处于量子纠缠状态的微观粒子对，来实现单个微观粒子的量子态的远距离传输，由此掀起了研究量子隐形传态的热潮。

1993年，查尔斯·本内特等人最早提出的量子隐形传态

（图片来源：Physical Review Letters）

虽然当时的科学家们一直致力于量子隐形传态方案的研究。但是受限于当时的实验技术条件，科学家们在早期阶段难以在实验上成功验证该方案的可行性。

直到1997年，来自奥地利的塞林格（Anton Zeilinger）研究团队在实验上取得突破性进展，他们将利用一对处于量子纠缠状态的光子对进行分发，从而实验单个光子的二维量子态（即单光子不同的偏振态）的信息传递，从而首次在实验上验证了量子隐形传态方案的可行性。

1997年，塞林格（Anton Zeilinger）研究团队实现的量子隐形传态

（图片来源：Nature）

然而，量子隐形传态方案只能传输单个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。例如，对于一个具有二维量子态信息的微观粒子而言，其只能处于0态或者1态。因此，科学家们希望突破量子隐形传态方案中单次信息传输的规模限制，来构建出更高维度的量子信息通道。

此外，在量子隐形传态方案中,信息的发送方和接收方需要预先分发处于纠缠态的粒子对,才可以实现量子态信息的远距离传输。因此，只有提高量子纠缠分发过程中的有效距离，才能真正实现远距离的量子隐形传态。

幸运的是，得益于科学家和工程技术人员的不懈努力，量子隐形传态方案正在朝着更宽的信道和更远的传输距离快速发展，已经走出实验室并且取得了重要的实际应用。

量子隐形传态的目标之一——更远的距离

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信息实现任意无限远距离的传输。然而在实验上，科学家们仍然需要一步一步地提高提高量子纠缠分发过程中的有效距离，才能实现远距离的量子隐形传态。

直到2004年，来自奥地利的塞林格（Anton Zeilinger）研究团队利用一根长度约为800米，铺设在多瑙河底的光纤来进行纠缠光子对的分发，才实现了光子量子态的远距离传输。

2004年，塞林格研究团队实现了800米距离的量子隐形传态

（图片来源：Nature）

在2009年，来自中国科学技术大学的潘建伟研究团队与清华大学物理系共同合作，在北京市八达岭与河北省怀来之间，成功实现了长达16公里的量子隐形传态，并且打破了当时世界最远距离的纪录。这次长距离量子态传输实验的成功，也同时验证了量子隐形传态穿越地表大气层的可行性，为后续搭建基于卫星中继的全球量子信息网络提供了有力的技术支撑。

2009年，潘建伟研究团队实现了长达16公里的量子隐形传态

（图片来源：Nature Photonics）

随后，在2012年，来自中国科学技术大学的潘建伟研究团队和奥地利的塞林格（Anton Zeilinger）研究团队，分别独立地在实验上实现了百公里量级的量子态隐形传态，从而进一步刷新了当时世界上最长的量子隐形传态纪录。

2012年，潘建伟研究团队实现了百公里量级的量子隐形传态

（图片来源：Nature）

受限于光纤传输过程中的损耗，科学家们不得不将纠缠光子对的分发过程，从地面的光纤转移到天上的卫星，从而实现千公里量级超长距离的量子态隐形传态。

于是在2017年，潘建伟研究团队与国内多家科研院校合作，利用“墨子号”量子科学实验卫星，成功将量子隐形传态的距离提升至大约1400公里，从而首次实现了天地间超远距离的量子隐形传态。

2017年，潘建伟研究团队实现了1400公里的天地间的量子隐形传态

（图片来源：Nature）

而就在2021年，潘建伟研究团队再次取得突破性的科研进展，在国际顶级学术期刊《自然》杂志上，发表了一篇题为《跨越4600公里的天地一体化量子通信网络》的论文，这标志着中国研究团队已经在量子通信领域处于国际领先水平，我国也已经初步构建出天地一体化的量子信息传输网的雏形。

2021年，中国研究团队构建出天地一体化的量子信息传输网的雏形

（图片来源：Nature）

量子隐形传态的目标之二——更高的维度

其实，真实的微观粒子的量子态信息十分丰富和复杂。这是因为，微观粒子往往包含多个自由度，并且每个自由度又包含多个维度的量子态信息。

因此，要想真正实现微观粒子的所有量子态的完整传输，就需要将量子隐形传态方案进一步拓展到更高的维度，从而突破单次传输过程的信息规模限制。

在早期的研究阶段，科学家们通常采用光子的偏振态，作为需要传输的量子态信息进行量子隐形传态。实际上，光子还存在其他的量子态信息（如轨道角动量、空间模式等），因此，科学家们要想实现光子的全部量子态传输，就需要采用更高维度的量子隐形传态方案。

2015年，潘建伟研究团队首次实现了单个光子的多自由度的量子隐形传态。这项研究结果表明，单个微观粒子的全部量子态信息，都可以采用量子隐形传态方案进行有效传输。

2015年，潘建伟研究团队首次实现了单个光子的多自由度的量子隐形传态

（图片来源：Nature）

随后，在2019年，潘建伟研究团队与奥地利的塞林格小组合作，在国际上首次成功实现了具有高达12个维度的量子体系的隐形传态。这标志着科学家们首次在理论和实验上，将量子隐形传态方案扩展到任意高的维度，从而为更复杂的量子态传输以及更高效的量子传输网络提供了坚实的技术基础。

2019年，潘建伟等研究团队成功实现了具有高维度的量子隐形传态

（图片来源：Physical Review Letters）

此外，也有来自中国的其他研究团队随后也取得突破性的进展。

就在2020年，来自中国科学技术大学的郭光灿研究团队，进一步提高了量子隐形传态的传输维度，实现了当时世界上保真度最高的具有32个维度的量子体系的隐形传态。

2020年，郭光灿研究团队成功实现了具有32个维度的量子隐形传态

（图片来源：Physical Review Letters）

结语

我们不难发现，经过30年的发展，量子隐形传态不仅具备了超远距离传输量子态的能力，而且还可以实现任意高维度的量子态传输，已经成为建立远距离量子传输网络的关键核心技术。

通往未来量子世界的概念图

（图片来源：veer图库）

随着科学家们对量子隐形传态方案研究的不断深入，我们正在不知不觉中走向通往未来量子世界的奇妙旅程。相信在不久的将来，我们能够逐步将最初的科幻梦想变为现实，从而一起迎接无限奇妙的未来世界。

参考文献

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