哇，天地之間有個「傳送門」！

在電影《星際迷航》里，「傳送門」的科幻構想是一大亮點——人體或者其他什麼物體，在一個地方分解，然後在另一個遙遠的地方重新出現，幾乎不用什麼時間，就實現了空間穿越。如果真的有這樣的傳送門，那我們豈不是都能輕鬆玩轉「乾坤大挪移」啦？這樣的傳送門真的存在嗎？

答案可能會讓你小激動一下了——真的存在。

圖一 《星際迷航》里的傳送門

克隆，哦不，是剪切

如果你需要複製的對象可以被經典的信息充分地描述出來，那麼在理論上，可以精確地測量這個對象，然後根據測量結果進行完美的重構(複製)。

然而，這世界的物質沒有那麼簡單，對於像單電子、原子或分子這樣的微觀量子系統，它們的性質被量子波函數所描述，這些量子波函數可以處於疊加態。這就難辦了，因為量子力學不可克隆原理禁止對未知量子態進行完美的測量或克隆，你不能在不破壞原有量子態的情況下，再弄出一個複製品來。道理很簡單，量子態嘛，你一測量，就塌縮啦。

但是，Bennett等人表示不服。1993年，他們提出了一種量子傳輸模式來繞過這個障礙，它允許將任意未知量子態從一個發送者(Alice)傳輸到一個空間遙遠的接收器(Bob)，而不需要實際傳輸對象本身。這種傳輸模式，叫做「量子隱形傳態（quantum teleportation）」。

這種模式並不違背量子力學不可克隆原理，因為這個過程里，原來的量子態被破壞了，也就是說，這個過程不是「複製」，而是「剪切」。

圖二

量子隱形傳態原理示意圖

（取自Dik Bouwmeester等人文章）

這個過程的精妙之處在於糾纏粒子對的使用。發送者Alice和接受者Bob共享一對糾纏光子（粒子2和粒子3），而需要傳遞的粒子1的狀態處於一種未知的疊加態。這種情況下，這三個粒子其實處於一種聯合的量子態。如果我們對Alice手裡的粒子1和粒子2進行一個聯合測量，使粒子1和粒子2塌縮到某個確定的狀態之後，粒子3的狀態就會確定下來。根據粒子1和粒子2的測量結果不同，粒子3的狀態與原始的粒子1狀態相差一個變換。這時，只要Alice通過經典通道告訴Bob，手頭上兩個粒子的測量結果，Bob就知道需要通過一個怎樣的操作，將手裡的粒子狀態變換一下，得到粒子1的原始狀態。

可以看到，這個狀態中，粒子1的狀態已經被毀，所以，並沒有違背不可克隆原理，等於我們把這個狀態剪切到粒子3這裡了；而且ALice必須要通過經典信道告知Bob測量結果，所以，信息的傳遞也沒有超光速。

來，建個「傳送門」

量子隱形傳態的構想剛剛提出的時候，大家只是聽聽而已，覺得幾乎是科幻。但是，僅僅四年後，奧地利Anton Zeilinger 小組真的在實驗上實現了量子隱形傳態。他們在光學平台上，實現了對光子極化方向的隱形傳態。這篇文章後來入選了《自然》雜誌的「百年物理學21篇經典論文」。

這篇文章的作者里，就有現在的中國科大的潘建偉院士。他回國以後，一直努力在中國建立我們自己的「傳送門」，潘建偉團隊希望，這樣的傳送門不僅僅存在於實驗室里的光學平台，它應該走出實驗室，走向自由空間，甚至鏈接天上地下，為人類的遠距離量子通信服務。

2003年，潘建偉團隊提出了利用衛星實現遠距離量子通信的方案，潘建偉和彭承志等人在國際上首次實驗了水平距離13公里（大氣層垂直厚度約為5-10公里）的自由空間雙向量子糾纏分發，為隱形傳態打下了基礎。

2010年，該團隊在國際上首次實現了基於量子糾纏分發的16公里量子態隱形傳輸。這是量子隱形傳態第一次走出實驗室、在自由空間而非光纖里展示可行性。

2012年，潘建偉領導的中科院聯合研究團隊在青海湖實現了首個97公里的量子隱形傳態，不僅將這一紀錄拉長到了百公里級別，實驗中開發的高頻率和高精度的獲取、定位和跟蹤技術，更是可以直接用於未來基於衛星的量子通信，充分驗證了利用衛星實現量子通信的可行性。

2015年，該團隊首次實現了單個光子的多個自由度的量子隱形傳態。之前的實驗只實現了一個自由度的傳送，但是單個粒子實際上肯定是需要多個自由度來描述的。就像描述小墨，有身高、體重、年齡等等很多個維度一樣。所以，對粒子來說，完整傳送這些信息是必要的。此次實驗中，科研人員實現了對單個光子自旋角動量和軌道角動量混合量子態的傳送，並且證明實驗中用到的方法是可以擴展到更多自由度的，這個工作是邁向更複雜量子系統的傳送的一步，入選了歐洲物理學會（Institute of Physics）2015年度國際物理學領域的十項重大突破之首。

但是以上這些實驗都沒有超過百公里級別，主要的原因在於，光子在光纖或大氣中難以避免的衰減。要想在更遠距離上驗證隱形傳態，並實現廣域的分散式量子計算網路，只能有一種辦法——利用衛星平台建立天基鏈接，連接地球上的兩個遠程點，因為大部分光子的傳播路徑都是在真空的太空中，可以大大減少通道損耗。

「墨子號」的量子隱形傳態

「墨子號」量子科學實驗衛星過境時，與海拔5100 m的西藏阿里地面站建立光鏈路。地面光源每秒產生8000個量子隱形傳態事例，地面向衛星發射糾纏光子，科研人員管這叫做上行鏈路。

本次實驗中一個最大的難點在於克服上行鏈路中的大氣湍流。湍流會引發光束的漂移和擴大，從而增加了移動光束的擴散。為此，科學家們開發了一系列技術，包括超亮的多光子糾纏源、窄散度的發射望遠鏡、高帶寬和高精度的獲取、指向和跟蹤(APT)，來優化上行鏈路的效率。

實驗中，隨著衛星在阿里站上空划過，通信距離從500公里到1400公里，實驗共採集到911個隱形傳態事例，所有6個待傳送態的平均保真度達到0.80，以大於99.7%的置信度超越經典極限，明確顯示了量子隱形傳態的實現。假設在同樣長度的光纖中重複這一工作，由於損耗的存在，需要3800億年才能觀測到1個事例。

「傳送門」可以用來傳什麼?

看到這裡，小夥伴們要問，那現在天地之間有了隱形傳態，可以把我們人體快速傳到天上去嗎？抱歉，這還太遙遠。

首先，量子隱形傳態傳送的是「態」，而非實物。就算你想傳遞你這個人所有態的信息，你需要傳送的數據量也太過巨大。一個人的原子數量大約在10的27次方到10的28次方的數量級，而每個原子包含的哪怕最基本的粒子又包含波長、動量、自旋和軌道角動量等很多個自由度，更何況實物傳送還要求傳送組成實物的基本粒子的所有信息，（包含單個粒子的內稟屬性和粒子間相互作用的信息）。理論上說，至少同數量級的糾纏粒子才能實現人體的傳送。這麼大量級的糾纏粒子製備目前看來是不可接受的。何況，傳送過去的你還有沒有現在的思想和意識？還是不是現在的你，都不知道。

但是，這個天地間的傳送門其實有著很大的用處。

墨子號這次發布的兩大任務——量子密鑰分發和量子隱形傳態其實是一個很棒的互補。量子密鑰分發實現的是經典信息的安全傳輸（通過下行鏈路(從衛星到地面)完成），而量子隱形傳態實現的是量子信息的可靠傳送（通過上行鏈路(從地面到衛星)完成）。

這兩項工作第一次在空間和地面之間進行雙向量子連接，將來，這些技術都會被應用到實際的空間尺度量子通信網路。雖然目前看來，我們接觸到的主要是經典信息，但是量子信息離我們並不遙遠，電子、光子、原子這類系統信息是無法用經典信息方法描述的，而且，未來的量子計算中間過程會產生很多寄存器量子比特狀態，也是處於疊加態的，需要用隱形傳態才能傳遞，如果你直接去測量，就會因為塌縮而喪失量子計算的並行優勢。所以，未來的全量子網路，離不開量子隱形傳態。

所以，這次在墨子號上首次開展的空間尺度上的量子隱形傳態實驗，代表了實現量子通信方案的重大進步，為未來空間尺度量子通信網路打下了堅實的基礎。

中國科大全媒體中心

文章來源：墨子沙龍公眾號

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