“量子隱形傳態(tài)”實(shí)驗(yàn)：能實(shí)現(xiàn)科幻中的超時(shí)空傳輸嗎？

2016-08-16 17:27 作者：喻菲楊春雪高杉新華網(wǎng) 責(zé)任編輯：陳瑋

摘要：中國(guó)16日成功發(fā)射了世界首顆量子衛(wèi)星，科學(xué)家將在“世界屋脊”西藏阿里和這顆衛(wèi)星之間開展“量子隱形傳態(tài)”實(shí)驗(yàn)。科學(xué)家的研究距離宏觀物體的遠(yuǎn)距傳輸還差得很遠(yuǎn)，而目前量子隱形傳態(tài)研究的主要應(yīng)用在于量子通信和量子計(jì)算。

新華網(wǎng)北京8月16日新媒體專電(記者喻菲楊春雪高杉)科幻電影《星際迷航》講述了人類這樣一個(gè)夢(mèng)想：宇航員在特殊裝置中平靜地說一句，“發(fā)送我吧，蘇格蘭人”，他就瞬間被轉(zhuǎn)移到另一個(gè)星球。

中國(guó)16日成功發(fā)射了世界首顆量子衛(wèi)星，科學(xué)家將在“世界屋脊”西藏阿里和這顆衛(wèi)星之間開展“量子隱形傳態(tài)”實(shí)驗(yàn)。這與《星際迷航》中的超時(shí)空傳輸很類似。當(dāng)然，它們并不相同——在中國(guó)科學(xué)家開展的量子隱形傳態(tài)實(shí)驗(yàn)中，被傳輸?shù)氖切畔⒍菍?shí)物。

什么是量子隱形傳態(tài)？

中國(guó)科學(xué)院院士、量子衛(wèi)星首席科學(xué)家潘建偉喜歡用孫悟空的“筋斗云”來比喻量子隱形傳態(tài)：“在古典四大名著之一的《西游記》里，孫悟空一個(gè)‘筋斗云’就能越過十萬八千里。明朝的作家吳承恩怎么也不會(huì)想到，幾百年后科學(xué)家已經(jīng)在微觀粒子層面的實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了‘筋斗云’這種超能力的可實(shí)現(xiàn)性。利用量子糾纏發(fā)展出的量子隱形傳態(tài)，可以將物質(zhì)的未知量子態(tài)精確傳送到遙遠(yuǎn)地點(diǎn)，就像孫悟空的‘筋斗云’一樣，可以實(shí)現(xiàn)從A地到B地的瞬間傳輸。”

專家解釋說，把粒子A的未知量子態(tài)傳輸給遠(yuǎn)處的另一個(gè)粒子B，讓B粒子的狀態(tài)變成A粒子最初的狀態(tài)。注意傳的是狀態(tài)而不是粒子，A、B的空間位置都沒有變化，并不是把A粒子傳到遠(yuǎn)處。當(dāng)B獲得這個(gè)狀態(tài)時(shí)，A的狀態(tài)必然改變，任何時(shí)刻都只能有一個(gè)粒子處于目標(biāo)狀態(tài)，所以并不能復(fù)制狀態(tài)，或者說這是一種破壞性的復(fù)制。

中國(guó)科學(xué)家的突破

量子隱形傳態(tài)是1993年由六位物理學(xué)家聯(lián)合提出的。1997年潘建偉的老師、奧地利物理學(xué)家蔡林格帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了傳送一個(gè)光子的自旋。他們?cè)凇蹲匀弧飞习l(fā)表了一篇題為《實(shí)驗(yàn)量子隱形傳態(tài)》的文章，潘建偉是第二作者。這篇文章后來入選了《自然》雜志的“百年物理學(xué)21篇經(jīng)典論文”，跟它并列的論文包括倫琴發(fā)現(xiàn)X射線、愛因斯坦建立相對(duì)論、沃森和克里克發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)等。

事實(shí)上，在量子態(tài)隱形傳態(tài)的漫長(zhǎng)旅程中，每一點(diǎn)距離的進(jìn)步都可以被視為一座里程碑。雖然最初的傳輸距離僅為數(shù)米，但美國(guó)《科學(xué)》雜志的評(píng)語是：“盡管想要看到《星際迷航》中‘發(fā)送我吧’這樣的場(chǎng)景，我們還得等上很多年，但量子態(tài)隱形傳態(tài)這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)，預(yù)示著我們將進(jìn)入由具有不可思議能力的量子計(jì)算機(jī)發(fā)展而帶來的新時(shí)代。”

但接下來，發(fā)展并不算順利。直到2004年，蔡林格小組才利用多瑙河底的光纖信道，將量子隱形傳態(tài)距離提高到600米。2009年，潘建偉的研究組與清華大學(xué)合作，在北京八達(dá)嶺與河北懷來之間實(shí)現(xiàn)了16公里的量子態(tài)隱形傳態(tài)，相當(dāng)于此前世界紀(jì)錄的27倍。2012年，潘建偉和他的團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了100公里自由空間的量子態(tài)隱形傳輸。

2015年，潘建偉團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)單光子多自由度的量子隱形傳態(tài)，首次證明了一個(gè)粒子的所有性質(zhì)在原理上都是可以被傳輸?shù)摹Ｍ暾饬x的量子隱形傳態(tài)，應(yīng)該說是2015年才實(shí)現(xiàn)的。

英國(guó)物理學(xué)會(huì)新聞網(wǎng)站《物理世界》評(píng)選的2015年度國(guó)際物理學(xué)十大突破中，潘建偉團(tuán)隊(duì)的這一成果位列榜首。這是在中國(guó)本土完成的研究工作第一次獲此殊榮。

實(shí)物的瞬時(shí)傳送還是科幻

潘建偉團(tuán)隊(duì)的這一突破可以看成是量子隱形傳態(tài)從一到多的里程碑，預(yù)示著以后可能把更復(fù)雜的多體系統(tǒng)的信息一次給傳輸走。換句話說，《星際迷航》中人體“瞬時(shí)傳輸”技術(shù)在遙遠(yuǎn)的未來，或許可以實(shí)現(xiàn)。

“大家都想離開太陽系去看看，但畢竟壽命是有限的，如果我們坐目前的宇宙飛船的話，人類還沒飛出去，生命就結(jié)束了。我們將來如果以這種量子隱形傳態(tài)的方法星際旅行，是可以光速進(jìn)行的。”潘建偉說，不過，要傳送更為復(fù)雜的東西現(xiàn)在還是一種科學(xué)幻想，近期肯定不可能實(shí)現(xiàn)。

《生活大爆炸》中謝耳朵曾經(jīng)談到過“瞬間傳輸”的倫理問題：“如果我能夠在此地被摧毀，然后在異地重建，那么使用了不同原子重建的我，還是我嗎？”

暫時(shí)還不用擔(dān)心這個(gè)問題。科學(xué)家的研究距離宏觀物體的遠(yuǎn)距傳輸還差得很遠(yuǎn)，而目前量子隱形傳態(tài)研究的主要應(yīng)用在于量子通信和量子計(jì)算。

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