量子隐形传态新技术：让物体“瞬间移动”成为可能？

日本国立信息学研究所（东京）与俄罗斯科学院2014年6月30日宣布“成功开发出了新的宏观物体瞬移方法”。科幻片中的隐形传态是指瞬间将人和物体从一个地方传送到另一个地方的“瞬间移动”。看到这则消息，恐怕每个人都会好奇：像“任意门”一样的瞬间移动真的能够实现吗？近期将在英国物理学杂志上刊登论文的俄罗斯科学院化学物理问题研究所的Alexey Pyrkov与日本国立信息学研究所的Tim Byrnes为我们介绍了成果的内容。“恐怖的远程操作”日本国立信息学研究所的Tim Byrnes（摄影：陶山勉）准确来说，此次发表的是“量子隐形传态”的研究成果。在讨论人能否实现隐形传态之前，首先让我来介绍一下什么是量子隐形传态。我们身边的物质是由原子和电子等微小的粒子组成。这些粒子上叠加着代表微细状态的“信息”。例如原子和电子的“自旋”，光的组成粒子光子的“偏光”等。量子隐形传态是使粒子的这些相关信息瞬间转移到远方的技术。粒子本身其实并不移动，而是在微细的粒子水平下，代表粒子状态的信息完全转移到其他粒子上，就可以认为是与粒子本身发生移动基本相同。解释原子、电子、光子等粒子行为的学科叫作“量子力学”。量子隐形传态利用了由量子力学理论推导出的奇特物理现象“量子纠缠”量子隐态传输。

那么，什么是量子纠缠？举例来说，在某个地点同时制作出两个粒子，这两个粒子将同时具有类似于“双胞胎”的特殊关系。即使两个粒子飞向不同的方向，只要途中没有遇到阻碍，二者的状态在物理学上来说，就可以利用一个方程式來解释。因此，只要检测“双胞胎”粒子中一方的自旋和偏光等状态，另一个粒子即使远在宇宙的另一端，其状态也能自动确定。众所周知，以“相对论”而闻名的物理学家爱因斯坦当初曾经炮轰这种现象是“怪异的远程操作”。1993年，美国的物理学家设想出了利用量子纠缠实现量子隐形传态的方法。根据他的方案，奥地利的研究小组于1997年首次成功利用光子完成了量子隐形传态实验。2012年，同样由奥地利等国家参与的国际研究小组在大西洋的岛屿之间创造了143公里的隐形传态历史最远纪录。不知道信息内容也可以传输那么，要想让自己身边的粒子状态瞬间移动到远方，应该怎么做？比如说，让爱丽丝通过隐形传态向鲍勃发送信息，现在知道的是要遵循以下步骤。首先要制作处于量子纠缠态的粒子A和B，粒子A发送给爱丽丝，粒子B发送给鲍勃。接着，爱丽丝使叠加了准备发送给鲍勃信息的粒子P与手头的粒子A产生量子纠缠关系，测量其状态。应用前面介绍的远程操作原理，粒子P叠加的信息能够瞬间转移到鲍勃的粒子B上。

但有一点需要注意的是，按照上面的步骤，爱丽丝传送给鲍勃的信息并不完整。还需要增加一个步骤。那就是爱丽丝通过某种方式，把自己测得的“粒子P与粒子A纠缠态的测量结果”发送给鲍勃，鲍勃根据接收到的结果，通过简单的步骤对转移到粒子B的信息进行修正。这样，鲍勃就获得了爱丽丝希望发送的粒子P的完整信息。而爱丽丝原本持有的粒子P在与粒子A处于纠缠态后，其叠加的信息会随之消失。这样就做到了隐形传态。因为需要略做“修正”，所以虽然是隐形传态，但信息的移动速度无法超过光速。说到这里，或许会有读者产生疑问：“既然如此，通过电话和互联网向鲍勃发送信息不就好了？”其实并非如此量子隐态传输。这项技术的优势在于爱丽丝即使不知道粒子P的详细信息，也能向鲍勃发送。为什么“不知道也能发送”会成为优点呢？举一个容易理解的例子，使人体发生瞬间移动时，事先调查人体所有组成粒子的信息几乎是不可能的。下面介绍量子隐形传态。这次日本国立信息学研究所与俄罗斯科学院这次的研究成果究竟有什么新发现呢？其实，前面介绍的量子隐形传态实验的成功先例都是使用极少数的光子和原子。而不是像科幻片中人和物体的隐形传态那样，传输由数量庞大的粒子组成的“宏观物体”。

在过去，肉眼可见的“宏观物体”的量子隐形传态一直被认为是极其困难的。为什么少数粒子的隐形传态可以实现，而由大量粒子组成的物体难以实现？这是因为粒子的数量越多，越容易受到外界的各种影响，从而导致量子纠缠态快速消失。如果无法保持量子纠缠态，就无法实现隐形传态。宏观物体也可使用的量子纠缠态不过，研究小组此次从理论上证明了一个结论：通过改进方法，宏观物体也可以实现量子隐形传态。具体来说，就是发现了能够遏制宏观物体免受外界影响的新量子纠缠态。这是一种什么样的状态呢？用一句话来概括，就是利用物质的“玻色-爱因斯坦凝聚”状态。物理学家玻色与爱因斯坦提出的玻色-爱因斯坦凝聚是指大量粒子在极低温度下状态趋同的现象。“超导”、“超流”等著名的物理现象都与玻色-爱因斯坦凝聚有关。前面所说的爱丽丝与鲍勃之间的量子隐形传态使用了A、B、P共3个粒子。而此次新开发的方法利用处于玻色-爱因斯坦凝聚态的众多粒子置换了这这些粒子。并且通过改进几个条件，实现了宏观物体在爱丽丝与鲍勃之间的瞬间移动。这次的理论研究成果能否在实验中得到证实呢？研究小组表示，利用小型实验装置实现玻色-爱因斯坦凝聚的技术已经确立，今后，宏观水平的隐形传态完全有可能在实验中得到证实。

首次实现终端开放量子隐形传态、两粒子复合态量子隐形传态和量子远程克隆。量子隐形传态（quantumteleportation），又称量子遥传、量子隐形传输、量子隐形传送、量子远距传输或量子远传，是一种利用分散量子缠结与一些物理讯息（physicalinformation）的转换来传送量子态至任意距离的位置的技术。量子隐形传态科普版 (刘琪 制图)量子隐形传态的过程(即传输协议)一般分如下几步(如图4)：。