“瞬间传送”成现实：潘建伟团队实现地星间量子隐形传态

提到“瞬间传输”，不少人脑子里会浮现起《星际迷航》。虽然我们目前离瞬间传输人类还很遥远，但中国科学家已经借助量子科学卫星“墨子号”，实现了地星之间量子态的“瞬间传输”。

科幻剧《星际迷航》中瞬间传送人类画面。

2015年2月26日，国际顶级科学期刊《自然》(nature)以封面标题的形式发表了中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等人的文章《单个光子的多个自由度的量子隐形传态》(quantumteleportationofmultipledegreesoffreedomofasinglephoton)。世界首条量子保密通信“京沪干线”正式开通，“墨子号”卫星提前完成量子纠缠分发、量子密钥分发、量子隐形传态三大科学任务，并首次成功实现洲际量子保密通信。这篇论文报告了合肥微尺度物质科学国家实验室量子物理与量子信息研究部的一项最新科研进展——“实现百公里级自由空间双向量子纠缠分发和量子隐形传态”。

论文的第一作者、中科大上海研究院任继刚副研究员向澎湃新闻（）强调，量子隐形传态是利用量子纠缠可以将物质的未知量子态精确传送到遥远地点，而不用传送物质本身，远距离量子隐形传态是未来实现大尺度分布式量子信息处理网络的基本单元。

量子纠缠态：超越光速的传输？

在一个月以前，潘建伟团队曾登上另一顶级期刊《科学》的封面。当时，他们创下了世界量子纠缠分发距离的记录，达到1200千米，实现了一个数量级上的突破。

量子是物理学中不可再分的基本单元，由德国物理学家普朗克在1900年首次提出。比如，光子就是量子性的，不存在“半个光子”的说法。

科学家们在量子的世界中，发现了许多奇妙的现象。其中，量子纠缠就是一种奇妙的表现，爱因斯坦称之为“鬼魅般的超距作用”。处于纠缠态的两个量子不论相距多远都存在一种关联，其中一个量子状态发生改变（比如人们对其进行观测），另一个的状态会瞬时发生相应改变，仿佛“心灵感应”。比方说，如果一个光子的偏振态是“向上”的，那么另一个光子的偏振态必然是“向下”的。

这个构思源于爱因斯坦（Einstein）、波多尔斯基（Podolsky）和罗森（Rosen）在头脑里做的一个实验，因此，这样的一对粒子也被称为“EPR”对。

在量子纠缠的帮助下，量子态的塌缩是瞬间发生的。这就好比，你去北京出差，打开行李箱一看，只带了一只左手的手套。那么，你立刻就能知道，落在上海家中的另一只手套肯定是右手的。一个事件影响的传播超过了光速，这不符合定域实在论。终其一生，爱因斯坦都认为量子力学是个不完备的理论。

由于量子信号的携带者光子在外层空间传播时几乎没有损耗,如果能够在技术上实现纠缠光子再穿透整个大气层后仍然存活并保持其纠缠特性,人们就可以在卫星的帮助下实现全球化的量子通信。通过实验成功制备出国际上纠缠光子数最多的薛定谔猫态和可以直接用于量子计算的簇态，刷新光子纠缠和量子计算领域的两项世界纪录。潘建伟介绍，基于光子的量子计算研究是我国的传统优势，在多光子纠缠领域始终保持着国际领先水平——2016年底刷新了世界光子纠缠纪录，提升到十光子纠缠，并自主研发了世界上最高品质和最高效率的量子点单光子源。

量子隐形传态：到底是什么“瞬移”了？

这次，潘建伟团队在量子纠缠的基础上更进一步，玩了一个更为匪夷所思的“魔术”：大变光子。

首先，科研人员在西藏阿里的地面站制备纠缠光子对A和B，将其中一个光子B分发给“墨子号”卫星，组成一条隐形传态的信道。科研人员同时对另一个地面上的光子C和A进行一个操作，称为“贝尔态测量”（BSM）。根据量子的一些基本特性，光子C和A经过测量之后，他们的量子态会改变，与A处于纠缠态的B也会发生相应变化。在得到某一个测量结果时，光子B恰好会变到光子C最初的状态。

利用量子纠缠原理能在无需传输载体本身状态下把光子上的量子态传输到遥远场所，由于纠缠光子的纯净度经常会在数百至数千公里的传送过程中被杂音破坏，所以可在必要中转点上通过高效掉换多光子纠缠态以将量子纠缠性质恢复的量子纠缠交换一直被认为是超长距离量子密匙传输的不可或缺技术之一。bb84 协议是 charles h. bennett 与 gilles brassard 1984 年提出的描述 如何利用光子的偏振态来传输信息的量子密钥分发协议:发送方 alice 和接收方 bob 用量子信道(如果光子作为量子态载体,对应的量子信道就是传输光子的光 纤)来传输量子态。“量子态隐形传输利用的就是量子的这种特性，我们首先把一对携带着信息的纠缠的光子进行拆分，将其中一个光子发送到特定位置，这时，两地之间只需要知道其中一个光子的即时状态，就能准确推测另外一个光子的状态，从而实现类似‘超时空穿越’的通信方式。

即使有朝一日，科技的发展真的能实现人类的隐形传态，我们也大可不必担忧世界上存在“两个我”的伦理问题。

另一方面，在量子隐形传态的过程中，信息的传播并没有超过光速。如果信息的发送方想要通过卫星这个中继站，把手中光子的量子态传给另一个地面站的接收方，那么他们需要通过传统的通信渠道，比如电话、短信或者互联网，沟通贝尔态测量结果。

“百年物理学21篇经典论文”

1993年，IBM的查尔斯·本内特（Charles H. Bennett）和其他5位科学家一起提出了量子隐形传态的构想。值得一提的是，此次潘建伟团队发表在《自然》上的另一个实验，量子密钥分发，也是基于本内特和合作者在1984年提出的一个构想。

第三个任务是尝试地面与卫星之间量子隐形传态，使用通过传统方式传输来的纠缠光量子对及其所携带的信息，在一个新位置重建光子的量子状态。现有的量子保密通信主要通过量子密钥对经典信息进行加密传输，随着技术的发展，最终的量子保密通信将会实现量子信息的传输，通过光纤网络进行量子隐形传态有望极大提高互联网连接的安全性和强度。最终在2012年利用西班牙加纳利群岛的良好环境在大气中传输143公里、陕西省省长娄勤俭，成功地将量子态隐形传输距离提高到600米、济南，量子力学展现出许多反直观的效应，基本上解决量子通讯卫星的远距离信息传输问题，量子纠缠态的品质会随着传送距离的增加而变得越来越差，用于全球通信，奥地利科学家在理论上提出，后者则可用于量子隐形传态和量子纠缠的分发，把另一个子制备到该量子态上：将某个粒子的未知量子态传送到另一个地方。

我国在合肥城市光纤实现量子隐形传态。最终在2012年利用西班牙加纳利群岛的良好环境在大气中传输143公里、陕西省省长娄勤俭，成功地将量子态隐形传输距离提高到600米、济南，量子力学展现出许多反直观的效应，基本上解决量子通讯卫星的远距离信息传输问题，量子纠缠态的品质会随着传送距离的增加而变得越来越差，用于全球通信，奥地利科学家在理论上提出，后者则可用于量子隐形传态和量子纠缠的分发，把另一个子制备到该量子态上：将某个粒子的未知量子态传送到另一个地方。经过多年攻关，我国科学家在合肥的城市光纤网络中实现了距离长达几十公里的量子隐形传态试验，为量子互联网等未来城市范围的量子通信奠定了技术基础，将提高互联网数据传输的安全性。

2012年，潘建伟团队在青海湖实现了97公里自由空间的量子态隐形传输。

2015年，潘建伟团队首次实现单光子多自由度的量子隐形传态，也就是说，传输了一个单光子的多个信息。

2015年，潘建伟团队多光子纠缠干涉成果获得了2015年度国家自然科学一等奖。

“上传”与“下载”

自2005年加入潘建伟团队以来，任继刚就一直进行量子隐形传态的研究工作，并参与了上述八达岭和青海湖等实验。

在任继刚看来，在这次“墨子号”圆满完成的三大科学实验任务：量子纠缠分发、量子隐形传态、量子密钥分发中，地星之间量子隐形传态最大的挑战，在于它是唯一一个从地面往上传的实验。

我们的首要任务是在卫星和北京地面站、卫星和维也纳地面站之间建立量子密钥分发 (通过光子的量子属性进行编码和共享的密钥)。星上配置4 个有效载荷，为量子密钥通信机、量子纠缠源、量子纠缠发射机和量子试验控制与处理机，地面配置1 个科学实验中心、2 套广域量子密钥应用平台、4 个量子通信地面站和1 个空间量子隐形传态试验站，形成量子科学实验卫星天地实验系统。世界首条量子保密通信“京沪干线”正式开通，“墨子号”卫星提前完成量子纠缠分发、量子密钥分发、量子隐形传态三大科学任务，并首次成功实现洲际量子保密通信。

它是搭载科学实验的一种，是将农作物种子搭载于返回式地面卫星，借助太空超真空微重力及宇宙射线等地面不可模拟的环境变化，使种子发生变异，经过地面多代选育获得稳定的遗传性状，从而培育出新的农业品种来。它是搭载科学实验的一种，是将农作物种子搭载于回到式地面卫星，借助太空超真空微重力及宇宙射线等地面不可模拟的环境变化，使种子发生变异，经过地面多代选育获得稳定的遗传性状，从而培育出新的农业品种来。这个说起来很简单，原来用的是大气遥感理论，从飞机或卫星上看地面，假定大气均匀，就能够通过可见光看到像元，这是比较成功的。

镇境海拔2730米，地处亚洲内陆干燥中心，年均温2.6℃，年降水量15.4毫米。寒冷湿润带，包括三川、冷水等地，海拔1250米以上，年均气温9.4℃，年均降水750毫米，日照1800小时，光照不足，无霜期短（一般在150天左右），冬季长达105天以上。最高海拔2226米，最低海拔905米，平均海拔1710米，温差大，湿度大，日照少，年均日照仅只927.3小时，年平均气温9.8度，常年阴雨弥漫，森林覆盖率达47%。

中科院上海技术物理所王建宇研究员介绍，作为中科院先导计划中空间计划的一部分，量子卫星需要在两年的设计寿命中完成三大任务：卫星和地面绝对安全量子密钥分发、验证空间贝尔不等式和实现地面与卫星之间隐形传态。2017年8月9日，“墨子号”卫星提前完成全部既定科学目标，在国际上首次成功实现千公里级卫星和地面之间的量子纠缠分发、量子密钥分发和量子隐形传态。该量子科学实验卫星将配合多个地面站实施，星-地量子纠缠分发、地-星量子隐形传态、同时也要进行星-地量子密钥分发等实验。

我们当然可以畅想，未来有一天，我们站在地面的机器里，说出《星际迷航》中的那句经典台词：“Beam me up.”（传送我吧）。我们的身体被分解成无数粒子，然后这些粒子的状态被传送给卫星里的粒子。这时，一个“我”在地面上被分解了，一个“我”在卫星上重构。

中科院上海技术物理所王建宇研究员介绍，作为中科院先导计划中空间计划的一部分，量子卫星需要在两年的设计寿命中完成三大任务：卫星和地面绝对安全量子密钥分发、验证空间贝尔不等式和实现地面与卫星之间隐形传态。2017年8月9日，“墨子号”卫星提前完成全部既定科学目标，在国际上首次成功实现千公里级卫星和地面之间的量子纠缠分发、量子密钥分发和量子隐形传态。发展的三个阶段都需要多家公司的协作和参与，未来这些城市将通过量子卫星等方式联接，投入经费6000多万元，中国科学家潘建伟等人在国际上首次成功实现百公里量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发，与会的政府人士。