中科大潘建偉項目組實現量子瞬間傳輸技術重大突破

原標題：中科大潘建偉項目組實現量子瞬間傳輸技術重大突破

如果你能擁有一項超能力，你會選擇什麼？相信「瞬間移動」會是不少人兒時的夢想。這種超能力在物理學上並非不可能。如果我們能夠對構成物體的每一個粒子進行測量，然後在目的地用同樣的粒子完全複製其狀態，就可以得到一模一樣的物體。如今，中國科學家在這項技術上取得了重大突破。

今年2月26日，《自然》雜誌發表封面文章，介紹了中國科技大學潘建偉項目組的「多自由度量子體系的隱形傳態」研究。通俗地說，這一技術可以讓科學家在異地瞬間獲知粒子狀態，從而開啟了物體瞬間傳輸技術的大門。

5日的政協小組會上，全國政協委員潘建偉用一個比喻向《科技日報》解釋了這項研究：「從合肥帶到北京一個保險箱，鑰匙忘帶了。於是我請合肥的同事測量一下鑰匙，告訴我；我在北京複製它。」



經典劇集《星際迷航》中的瞬間傳輸裝置

理論基礎：量子糾纏

要想弄清楚「量子隱形傳態」的原理，就繞不開「量子糾纏」的概念。量子糾纏是指相距遙遠的兩個量子所呈現出得關聯性。科學家早就發現，處於特定系統中的兩個或多個量子，即使相距遙遠也總是呈現出相同的狀態，當其中一個量子狀態改變時，其他量子也會隨之改變。

愛因斯坦曾把量子糾纏稱為「鬼魅般的超距作用」，不過觀察者網曾經報道，科學家如今認為，量子糾纏其實也是需要通道的，潘建偉教授的項目組2013年也測出，量子糾纏的傳輸速度至少比光速高4個數量級。

這就是量子隱形傳態的理論基礎。在量子糾纏的幫助下，帶傳輸量子攜帶的量子信息可以被瞬間傳遞並被複制，因此就相當於科幻小說中描寫的「超時空傳輸」，量子在一個地方神秘地消失，不需要任何載體的攜帶，又在另一個地方神秘地出現。

技術突破：非摧毀性測量

但想測量一下光子，再讓遠方複製，實現起來是非常困難的。由於太小，光子「一觸而潰」，再精細的測量也讓它面目全非。

中科大網站介紹說，1997年，國際上首次報道了單一自由度量子隱形傳態的實驗驗證，該工作隨後與倫琴發現X射線、愛因斯坦建立相對論、沃森和克里克發現DNA雙螺旋結構等影響世界的重大科技成果一起入選了《自然》雜誌「百年物理學21篇經典論文」。

然而，以往所有的實驗實現都存在著一個根本的局限，即只能傳輸單個自由度的量子狀態，而真正的量子物理體系自然地擁有多種自由度的性質，即使是一個最簡單的基本粒子，如單光子，它的性質也包括波長、動量、自旋和軌道角動量等等。

潘建偉對科技日報介紹說：「測量一個自由度，不干擾其他自由度，很困難。好比測量身高，尺子一拉，體重就受了影響。」

中科大此次就是進一步發展出了「非摧毀性的測量技術」。經過多年艱苦努力，研究人員成功製備了國際上最高亮度的自旋-軌道角動量超糾纏源、高效率的軌道角動量測量器件，突破了以往國際上只能操縱兩光子軌道角動量的局限，搭建了6光子11量子比特的自旋-軌道角動量糾纏實驗平台，從而首次讓一個光子的「自旋」和「軌道角動量」兩項信息能同時傳送。



中科大潘建偉教授

據中科大新聞網報道，該實驗成果得到了《自然》雜誌審稿人的高度評價，他們一致稱讚該工作「絕對新穎、重要，處於當前量子光學和量子信息領域的最前沿，可以認為是一個偉大的成就」、「在1997年單個自由度量子隱形傳態實驗實現的18年之後，這個工作從基本概念上將量子隱形傳態提升到了一個新的水平」、「非常有趣，意義重大，且具有極其苛刻的技術難度」。

由於該成果的重要性，《自然》雜誌專門邀請國際知名量子光學專家Wolfgang Tittel教授在同期的「新聞視角」（News and Views）欄目撰文評論：「該實驗實現為理解和展示量子物理的一個最深遠和最令人費解的預言邁出了重要的一步，並可以作為未來量子網路的一個強大的基本單元」。


該論文發表后，第一時間受到了美國《科學新聞》（Science News）和歐洲物理學會新聞網站Physics World等多家國際媒體的報道，稱「該工作不僅為提升量子力學基礎問題的理解邁進了關鍵一步，也將在未來量子計算機的研製中扮演重要角色」。

應用：謝耳朵的難題還很遙遠

看過《生活大爆炸》的讀者可能還記得，謝耳朵曾經在劇中談到過瞬間移動（teleportation）的倫理問題：如果我能夠在此地被摧毀，然後在異地重建，那麼使用了不同原子重建的我，還是我嗎？

暫時還不用擔心。中科大的這項研究距離宏觀物體的遠距傳輸還差的很遠，其應用主要在於量子通信。在無線通信中，如果直接使用二進位編碼會造成嚴重的誤差，因此在數字通信中，人們還需要進行更複雜的編碼。同樣，從單自由度傳輸到多自由度傳輸的進步，對量子通信的實用化意義重大。