科学“传送术”：量子隐形传态如何实现科学幻想

量子隐形传态（Quantum Teleportation），又称量子传送术，是量子信息科学中最具“科幻色彩”的技术。尽管科幻影视中常见的传送术设想——如《星际迷航》中的瞬移——看似合理，但科学上真正的“传送”实现方式却完全不同于这种影像化的消失与重现。量子隐形传态所传输的是量子态（即一个粒子的状态），而非粒子本身。这一过程利用量子纠缠的神奇性质实现，尽管实现过程复杂，但已在实验中得以验证。

理论基础与实现原理

量子隐形传态诞生于1993年，由六位理论物理学家提出。他们的论文以《通过经典与EPR信道传送未知的量子态》为题，描述了一种量子状态的远程转移方式。这里的“EPR信道”指的正是量子纠缠（以爱因斯坦、波多尔斯基和罗森的姓氏缩写命名），是实现量子传态的核心要素。

为了实现量子隐形传态，我们需要以下条件：

三个粒子（A、B、C）：A是要传送的粒子，B和C是一对纠缠态粒子。

两个角色：Alice和Bob，Alice持有粒子A和B，Bob持有粒子C。

传态过程如下：

初始状态：粒子A处于一个未知的量子态（|Ψ> = a|0> + b|1>），我们希望将其状态传送到远处Bob的粒子C上。

准备纠缠对：粒子B和C先处于一个纠缠态（(|00> + |11>) / √2）。

操作与测量：Alice对粒子A和B进行纠缠操作，然后对它们的状态进行测量，结果有四种可能性（00、01、10和11），对应不同的状态变化。

经典通信：Alice将测量结果（两比特信息）发送给Bob。

状态恢复：Bob根据接收到的结果对粒子C进行相应的操作，最终恢复为粒子A的初始状态|Ψ>。

这个过程的关键在于，无需知道粒子A的量子态具体值（a和b），Bob仍能在远程“复现”A的初始状态。这使得量子隐形传态成为了一种可行的状态传输方式，但也因A的状态会被破坏，隐形传态更像一种“破坏性传送”。

1997年，奥地利科学家安东·塞林格和他的研究团队首次成功实现了量子隐形传态，震动了科学界。此实验表明量子隐形传态不仅是理论可行的，在实验条件下也确实能实现。塞林格的论文入选了《自然》杂志的百年经典论文之一，并为他获得诺贝尔奖奠定了基础。

量子隐形传态的常见误解

尽管量子隐形传态确实实现了远程状态传输，但有些误解需要澄清：

不是粒子的传送：量子隐形传态传递的是量子态而非粒子本身。原粒子不会消失、再现，而是其量子态在远程的另一个粒子上得以重现。

传输的限制：量子隐形传态的速度限制为光速，因其中的经典通信步骤受光速限制。因此，不可能利用量子隐形传态实现超光速传输或超距即时传输。

非瞬间“复制”：隐形传态是破坏性的。传送后的原粒子状态发生变化，因而不可能出现完全的“复制”，更不必担心伦理问题中的“多个自己”情景。

当前，量子隐形传态仅能在有限粒子、简单系统中实现，要想传输一个人这样复杂的系统难度极高。一个人体内包含约10^28个粒子，实现量子隐形传态面临极大的技术障碍。然而，随着量子计算与量子通信的发展，量子隐形传态或许会在未来突破更大的距离和复杂度，为我们带来更先进的量子网络与加密通信技术。

作者：《你也可以理解量子信息》风云际会

审核：罗会仟 中科院物理所研究员

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