常常有人用科幻電影中的隔空傳物與量子隱形傳態做類比，暢想未來量子隱形傳態給人類生活帶來的變化。量子隱形傳態簡單來說就是甲地的某一粒子的未知量子態，在乙地的另一粒子上還原出來，并且原物的量子態在測量時已被破壞掉—不違背“量子不可克隆定理”。這個概念誕生于 1993 年，當時來自世界各地的 6 位理論物理學家合作發表了名為《通過經典和量子糾纏信道傳輸未知量子態》的文章，即量子隱形傳態。以下簡略介紹這篇文章里講述的內容。

如果要將粒子 C 的未知量子態X 從 Alice 傳輸到 Bob，科學家目前進行量子隱形傳態實驗的原理大致如下。

第一步，制造量子糾纏光子對對粒子 A 和粒子 B，并將粒子 A 和粒子 B 分別發送給 Alice 和 Bob。

第二步，Alice 對粒子 C 和粒子 A 做一次名叫貝爾態分析的聯合測量，這個測量能讓粒子 A 和粒子 C 隨機以 4 種可能的方式糾纏起來，對應貝爾態分析的 4 種結果。

第三步，因為“幽靈般的超距作用”，粒子 B 也會因為粒子 A 被測量而發生變化，呈現出與貝爾態分析 4 種結果相關的 4 種狀態之一，這 4 種狀態可以理解為量子態X 的其他表現形式。

最后，Alice 只需要將她的貝爾態分析結果通過經典信道告訴Bob，Bob 就可以采取對應的手段，將粒子 B 轉換到量子態X。

如果用一句簡單的話來概括這個過程，那就是貝爾態分析讓粒子 C與糾纏粒子中的粒子 A 產生關聯，因此將粒子 C 的狀態瞬間轉移到另一個糾纏粒子 B 上。

1997 年，中國科學院院士、“墨子號”團隊領軍人物潘建偉正在奧地利留學，攻讀維也納大學博士學位。他的老師正是前文提到的奧地利物理學家蔡林格。在蔡林格的帶領下，潘建偉及其團隊首次利用光子偏振在實驗上實現了量子隱形傳態，將一個光子的未知偏振在不傳送該光子本身的前提下，利用量子糾纏成功傳輸到另一個光子上。該實驗成果直觀地向人們展示了量子力學的神奇，在當時引起巨大轟動，與倫琴發現 X 射線、愛因斯坦建立相對論、沃森和克里克發現 DNA 雙螺旋結構等世界重大科技成果一起入選了《自然》雜志“百年物理學 21篇經典論文”，潘建偉為該實驗成果論文的第二作者。

量子隱形傳態是量子信息處理網絡的基本要素，對量子通信和量子計算的發展至關重要，因此也是量子信息技術領域的研究熱點。后來，科學家們在冷原子、離子阱、超導、量子點和金剛石色心等物理系統中也實現了量子隱形傳態，但都局限于單個粒子的單一自由度。2006年，潘建偉及其團隊首次實現兩個光子的偏振態傳輸；2015年，該團隊實現了多自由度的量子隱形傳態，同時該團隊不斷拓展量子隱形傳態的傳輸距離；2017年，該團隊借助“墨子號”量子科學實驗衛星實現了長達 1400km 的地星量子隱形傳態實驗。這一系列突破為發展可擴展的量子計算和量子網絡技術奠定了堅實基礎。

量子隱形傳態無論在粒子數目、自由度數目，還是在傳輸距離方面，相比于早期實驗都已經取得了飛躍式進步，但是離實現科幻小說中所描述的“隔空傳物”仍有很大的距離，科學家們仍在向著更高的目標繼續探索。

--摘自《星耀中國 我們的量子科學衛星》

來源: 《星耀中國 我們的量子科學衛星》

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