量子隱形傳態(tài)

　　必須說明的是，量子遙傳并不會傳送任何物質(zhì)或能量。這樣的技術(shù)在量子信息與量子計算上相當(dāng)有幫助。然而，這方式無法傳遞傳統(tǒng)的資訊，因此無法使用在超光速的通訊上面。量子遙傳與一般所說的瞬間移動沒有關(guān)系–量子遙傳無法傳遞系統(tǒng)本身，也無法用來安排分子以在另一端組成物體。

　　2015年12月11日，英國物理學(xué)會主辦的《物理世界》（Physics World）公布2015年度國際物理學(xué)領(lǐng)域的十項重大突破，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉、陸朝陽等以“多自由度量子隱形傳態(tài)”的研究成果榮登榜首；中國科學(xué)院物理所方忠、翁紅明等憑借外爾費米子的先驅(qū)性研究入選。

　　定義

　　量子隱形傳態(tài)(quantumteleportation) 是經(jīng)由經(jīng)典通道和EPR 通道傳送未知量子態(tài)。

　　通俗來講就是：將甲地的某一粒子的未知量子態(tài)，在乙地的另一粒子上還原出來。量子力學(xué)的不確定原理和量子態(tài)不可克隆原理，限制我們將原量子態(tài)的所有信息精確地全部提取出來。因此必須將原量子態(tài)的所有信息分為經(jīng)典信息和量子信息兩部分，它們分別由經(jīng)典通道和量子通道送到乙地。根據(jù)這些信息，在乙地構(gòu)造出原量子態(tài)的全貌。

　　過程

　　要實現(xiàn)量子隱形傳態(tài)，首先要求接收方和發(fā)送方擁有一對共享的EPR對（即BELL態(tài)（貝爾態(tài)）），發(fā)送方對他所擁有的一半EPR對和所要發(fā)送的信息所在的粒子進行聯(lián)合測量，這樣接收方所有的另一半EPR對將在瞬間坍縮為另一狀態(tài)（具體坍縮為哪一狀態(tài)取決于發(fā)送方的不同測量結(jié)果）。發(fā)送方將測量結(jié)果通過經(jīng)典信道傳送給接收方，接收方根據(jù)這條信息對自己所擁有的另一半EPR對做相應(yīng)幺正變換即可恢復(fù)原本信息。到乙地,根據(jù)這些信息,在乙地構(gòu)造出原量子態(tài)的全貌。

　　與廣為傳言的說法不同，量子隱形傳態(tài)需要借助經(jīng)典信道才能實現(xiàn)，因此并不能實現(xiàn)超光速通信。

　　在這個過程中，原物始終留在發(fā)送者處，被傳送的僅僅是原物的量子態(tài)，而且，發(fā)送者對這個量子態(tài)始終一無所知；

　　接受者是將別的物質(zhì)單元(如粒子)制備成為與原物完全相同的量子態(tài)，他對這個量子態(tài)也始終一無所知；

　　原物的量子態(tài)在測量時已被破壞掉——不違背“量子不可克隆定理”；

　　未知量子態(tài)(量子比特)的這種傳送，需要經(jīng)典信道傳送經(jīng)典信息(即發(fā)送者的測量結(jié)果)，傳送速度不可能超過光速——不違背相對論的原理。

　　原理

　　量子隱形傳態(tài)的基本原理，就是對待傳送的未知量子態(tài)與EPR對的其中一個粒子實施聯(lián)合Bell基測量，由于EPR對的量子非局域關(guān)聯(lián)特性，此時未知態(tài)的全部量子信息將會“轉(zhuǎn)移”到EPR對的第二個粒子上，只要根據(jù)經(jīng)典通道傳送的Bell基測量結(jié)果，對EPR的第二個粒子的量子態(tài)施行適當(dāng)?shù)溺壅儞Q，就可使這個粒子處于與待傳送的未知態(tài)完全相同的量子態(tài)，從而在EPR的第二個粒子上實現(xiàn)對未知態(tài)的重現(xiàn)。

　　研究成果

　　1997年中國實現(xiàn)量子通信100公里隱形傳態(tài)，奧地利Zeilinger小組在室內(nèi)首次完成了量子隱形傳態(tài)的原理性實驗驗證，成為量子信息實驗領(lǐng)域的經(jīng)典之作。2004年，該小組利用多瑙河底的光纖信道，成功地將量子隱形傳態(tài)距離提高到了600米。但是由于光纖信道中的損耗和退相干效應(yīng)，傳態(tài)的距離受到了極大的限制，如何大幅度地提高量子隱形傳態(tài)的距離成了量子信息實驗領(lǐng)域的重要研究方向。

　　2004年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的潘建偉、彭承志等研究人員開始探索在自由空間信道中實現(xiàn)更遠距離的量子通信。該小組2005年在合肥創(chuàng)造了13公里的雙向量子糾纏分發(fā)世界紀(jì)錄，同時驗證了在外層空間與地球之間分發(fā)糾纏光子對的可行性。

　　2007年開始，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)-清華大學(xué)聯(lián)合研究小組開始在北京八達嶺與河北懷來之間架設(shè)長達16公里的自由空間量子信道，并取得了一系列關(guān)鍵技術(shù)突破，最終在2009年成功實現(xiàn)了世界上最遠距離的量子隱形傳態(tài)，證實了量子隱形傳態(tài)過程穿越大氣層的可行性，為未來基于衛(wèi)星中繼的全球化量子通信網(wǎng)鑒定了可靠基礎(chǔ)。除此之外，聯(lián)合小組還在該研究平臺上針對未來空間量子通信需求開展了誘騙態(tài)量子密鑰分發(fā)等多個方向的研究，取得了豐富的成果。

　　2012年8月，中國科學(xué)家潘建偉等人在國際上首次成功實現(xiàn)百公里量級的自由空間量子隱形傳態(tài)和糾纏分發(fā)，為發(fā)射全球首顆“量子通訊衛(wèi)星”奠定技術(shù)基礎(chǔ)。“在高損耗的地面成功傳輸100公里，意味著在低損耗的太空傳輸距離將能達到1000公里以上，基本上解決了量子通訊衛(wèi)星的遠距離信息傳輸問題。

　　2012年9月，維也納大學(xué)和奧地利科學(xué)院的物理學(xué)家實現(xiàn)了量子態(tài)隱形傳態(tài)最遠距離——143公里，創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄。

　　2015年。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士及其同事陸朝陽、劉乃樂等組成的研究小組在國際上首次成功實現(xiàn)多自由度量子體系的隱形傳態(tài)。這是自1997年國際上首次實現(xiàn)單一自由度量子隱形傳態(tài)以來，是量子信息實驗研究領(lǐng)域取得的又一重大突破，將為發(fā)展可擴展的量子計算和量子網(wǎng)絡(luò)技術(shù)奠定堅實基礎(chǔ)。

　　科學(xué)意義

　　量子隱形傳態(tài)是量子通信中最簡單的一種。 從事量子隱形傳態(tài)實驗，是實現(xiàn)全球量子通信網(wǎng)絡(luò)的可行性的前提研究。

　　量子通信擁有“絕不泄密”的本領(lǐng)，保護用戶通信安全。由于量子具有不可再分、不可復(fù)制的特性，如果在傳輸中受到干擾就會改變狀態(tài)，接收方就可以發(fā)現(xiàn)。也就是說，除了在保護通信安全的前提下，量子通信還有“反竊聽”的功能。如果有人竊聽，信息就被偷聽動作改變了，從而可以保證內(nèi)容的絕密。