实验性量子电运自然杂志

相距遥远的两个量子所呈现出得关联性。科学家早就发现，处于特定系统中的两个或多个量子，即使相距遥远也总是呈现出相同的状态，当其中一个量子状态改变时，其他量子也会随之改变。量子瞬间传输技术就是基于此的传输技术。

一个物理量如果存在最小的不可分割的基本单位，我们就说这个物理量是量子化的，把这个最小单位称为量子。光子就是光量子，一束光至少包含一个光子，再少就不存在了。实验发现，原子中电子的能量不是连续变化的，而是只能取一些分立的值，也就是说，原子中的电子能量是量子化的。量子化是微观世界的普遍现象。20世纪上半叶（主要是从1900年到1930年），普朗克、爱因斯坦、德布罗意、玻尔、海森堡、薛定谔、狄拉克、玻恩、泡利等伟大的物理学家们创立了量子力学，这是我们目前对微观世界最准确的描述。相对论几乎是爱因斯坦独力创造出来的，量子力学却是群星璀璨的产物。爱因斯坦在其中也发挥了非常重要的作用（提出光量子，这是他得诺贝尔物理学奖的原因，居然不是相对论！），但并不是最重要的，最重要的两个贡献者是普朗克和海森堡。不过上面无论哪一位，都比在世的物理学家伟大多了（杨振宁可能跟泡利相差不是很远？），这是时代的垂青，个人无法改变的。

量子力学描述世界的语言跟经典力学有根本区别。经典力学描述一个粒子的状态，说的是它在什么位置，具有什么动量。不言而喻的是，在任何一个时刻这个粒子总是位于某个位置，具有某个动量，即使你不知道是多少。量子力学描述一个粒子的状态，却是给出一个态函数或者称为态矢量，这个态矢量不是位于日常所见的三维空间，而是位于一个数学抽象的线性空间。在这里我们不需要深究这是个什么空间，关键在于两个态矢量之间可以进行“内积”的运算。内积是什么？在三维空间中，两个长度为1的单位矢量a和b做内积(a, b)，得到的是它们夹角的余弦，即两个矢量方向相同时得到1，方向相反时得到-1，互相垂直时得到0，所以内积也可以理解为一个矢量在另一个矢量上的投影。对两个态矢量也可以求这样的内积，结果是个复数（即有实部虚部，不一定是实数），而这个复数的绝对值小于等于1。

现在不可思议的新概念来了：对于任何一个物理量P（例如位置、动量），态矢量都可以分为两类，一类具有确定的P，称为P的本征态，P的取值称为这个本征态的本征值；另一类不具有确定的P，称为P的非本征态。非本征态比本征态多得多，如同无理数比有理数多得多。也就是说，绝大多数情况下，一个粒子是没有确定的位置的！等等，什么叫做“没有确定的位置”？是因为粒子跑得太快了，我们看不清吗？量子力学说的不是这种常规（而错误）的理解，而是说：非本征态是一个客观真实的状态，跟本征态同样客观真实，它没有确定的位置是因为它本质上就是如此，而不是因为我们的信息不全。来打个比方，有些状态可以用指向上下左右的箭头来表示，于是你定义“方向”为一个物理量，但是还有些状态是一个圆！圆状态跟箭头状态同样真实，只是没有确定的方向而已。

但是读者还会困惑，因为我们总是可以用仪器去测量粒子的位置，测量的结果总是粒子出现在某个地方，而不是同时出现在两个地方，或者哪里都测量不到。好，下面就是量子力学的关键思想：对P的本征态测量P，粒子的状态不变，测得的是这个本征态的本征值。而对P的非本征态s测量P，会使粒子的状态从s变成某个P的本征态f，概率是s与f的内积的绝对值的平方|(s, f)|^2，发生这个变化后测得的就是f的本征值。用上面的例子来说，对箭头状态测方向，状态不变，得到的就是箭头的方向；对圆状态测方向，圆状态会以相同的几率变成任何一个箭头状态，得到的是这个新的箭头状态的方向。对位置的非本征态测量位置，就会测得粒子出现在某个随机的位置，而出现在空间所有位置的几率之和等于1。怎么知道测量结果是随机的呢？制备多个具有相同状态的粒子，把实验重复多次，就会发现实验结果每次都不一样。没错，量子力学具有本质的随机性，同样的原因可以导致不同的结果，这是跟经典力学的又一大区别。你也许会觉得上面这些说法简直莫名其妙，但是现在绝大多数科学家都对它们奉若圭臬。为什么呢？因为这套奇怪的理论跟实验符合得很好，而经典力学却不能。当然，这是哲学性的原因，而操作性的原因很简单：现在的科学家受的都是量子力学的教育。普朗克有一句非常有趣的话：“新的科学真理并不是由于说服它的对手取得胜利的，而是由于它的对手死光了，新的一代熟悉它的人成长起来了。”

事实上，现在仍然有不少人对量子力学提出各种各样的挑战，包括不少专业科学家，民科就更多了（当然挑战相对论的民科更多）。历史上，挑战量子力学的势力更加强大，其中的带头大哥就是--爱因斯坦！老爱坚信粒子应该具有确定的位置和动量，世界的演化应该是决定性的，对前面说的量子力学的不确定性和随机性十分不满。用他自己的话来说，他相信“没有人看月亮的时候，月亮仍然存在”，以及“上帝不掷骰子”。

如果是一般人，表达完信念也就没事了。但爱因斯坦是超级伟大的科学家，神一样的人物，他不会满足于只做口舌之争，而是要设计一个判决性的实验，以可验证的方式证明量子力学的错误。于是乎，1935年，爱因斯坦（Einstein）、波多尔斯基（Podolsky）和罗森（Rosen）提出了一个思想实验，后人用他们的首字母称为EPR实验。你可以制备两个粒子A和B的“圆”态，使得在这个状态中两个粒子的某个性质（如电子的自旋角动量、光子的偏振）相加等于零，而单个粒子的这个性质不确定。这样一对粒子称为EPR对。然后你把这两个粒子在空间上分开很远，任意的远，然后测量粒子A的这个性质。好比你测得A是“上”，那么你就立刻知道了B现在是“下”。问题是，既然A和B已经离得非常远了，B是怎么知道A发生了变化，然后发生相应的变化的？EPR认为A和B之间出现了“鬼魅般的超距作用”，信息传递的速度超过光速，违反相对论。所以，量子力学肯定有错误。

这个问题非常深邃，直到现在都不断给人以启发。不过量子力学的正统卫道士有一个标准回答：处于“圆”态的A和B是一个整体，当你对A进行测量的时候，A和B是同时发生变化的，并不是A变了之后传一个信息给B，B再变化，所以这里没有信息的传递，不违反相对论。这个回答怎么样？无论你信不信，反正我信了。不过爱因斯坦一直都不信，以这个他参与创建的理论的反对者的身份走完了一生。

在爱因斯坦的时代，EPR实验只能在头脑中进行。随着科技的进步，这个实验可以实现了。1980年代，阿斯佩克特等人做了EPR实验，结果你猜怎么着？完全跟量子力学的预言符合！真的是你测得一个EPR对中的A是“上”的时候，B就变成了“下”。本来是设计出来否定量子力学的，反而验证了量子力学的正确性。这种事在科学史上屡见不鲜。17世纪的时候，牛顿主张光是粒子，惠更斯主张光是波动。牛顿按照惠更斯的理论计算出一个现象：把一束光射向一个不透明的小圆片，在圆片的背后中心位置会出现一个亮点，而不是暗点。牛顿认为这是不可能的，宣布驳倒了惠更斯。可是别人一做这个实验，发现真的就是如此，结果成了牛顿亲手证明惠更斯的正确。

EPR现象既然是一个真实的效应，而不是爱因斯坦等人以为的悖论，人们就想到利用它。量子隐形传态（quantum teleportation）就是一个重要的应用。英文单词teleportation就是科幻艺术中biu的一声把人传过去的瞬间传输，tele是远，port是传，所以小编们报道这种新闻总是配传人的图片，《星际迷航》中的Spock发来贺电！可是，在量子信息研究中实际做的是把一个粒子A的量子态传输给远处的另一个粒子B，让B复制A的状态，注意传的是状态而不是粒子。当然你可以说传人也是把人的所有原子的状态传到远处的另外一堆原子上，组合成一个同样的人。OK我没意见，只不过为了避免混淆，中国的科学家们还是小心谨慎地把teleportation翻译成了隐形传态。

量子隐形传态是怎么操作的呢？基本思路是这样：让第三个粒子C跟B组成EPR对，而C跟A离得很近，跟B离得很远。让A按照某个密码跟C发生相互作用，改变C的状态，于是B的状态也发生了相应的变化。再通过经典的通讯手段（比如电话、光缆）把密码告诉B那边的人，对B按照密码进行反向操作，就得到了A的状态。这里的基本元素包括作为中介的C、密码和传输密码的经典信道。

如果你能拥有一项超能力，你会选择什么？相信“瞬间移动”会是不少人儿时的梦想。这种超能力在物理学上并非不可能。如果我们能够对构成物体的每一个粒子进行测量，然后在目的地用同样的粒子完全复制其状态，就可以得到一模一样的物体。如今，中国科学家在这项技术上取得了重大突破。

今年2月26日，《自然》杂志发表封面文章，介绍了中国科技大学潘建伟项目组的“多自由度量子体系的隐形传态”研究。通俗地说，这一技术可以让科学家在异地瞬间获知粒子状态，从而开启了瞬间传输技术的大门。

5日的政协小组会上，全国政协委员潘建伟用一个比喻向《科技日报》解释了这项研究：“从合肥带到北京一个保险箱，钥匙忘带了。于是我请合肥的同事测量一下钥匙，告诉我；我在北京复制它。”

理论基础：量子纠缠

要想弄清楚“量子隐形传态”的原理，就绕不开“量子纠缠”的概念。量子纠缠是指相距遥远的两个量子所呈现出得关联性。科学家早就发现，处于特定系统中的两个或多个量子，即使相距遥远也总是呈现出相同的状态，当其中一个量子状态改变时，其他量子也会随之改变。

爱因斯坦曾把量子纠缠称为“鬼魅般的超距作用”，不过观察者网曾经报道，科学家如今认为，量子纠缠其实也是需要信道的，潘建伟教授的项目组2013年也测出，量子纠缠的传输速度至少比光速高4个数量级。

这就是量子隐形传态的理论基础。在量子纠缠的帮助下，带传输量子携带的量子信息可以被瞬间传递并被复制，因此就相当于科幻小说中描写的“超时空传输”，量子在一个地方神秘地消失，不需要任何载体的携带，又在另一个地方神秘地出现。

技术突破：非摧毁性测量

但想测量一下光子，再让远方复制，实现起来是非常困难的。由于太小，光子“一触而溃”，再精细的测量也让它面目全非。

中科大网站介绍说，1997年，国际上首次报道了单一自由度量子隐形传态的实验验证，该工作随后与伦琴发现X射线、爱因斯坦建立相对论、沃森和克里克发现DNA双螺旋结构等影响世界的重大科技成果一起入选了《自然》杂志“百年物理学21篇经典论文”。

然而，以往所有的实验实现都存在着一个根本的局限，即只能传输单个自由度的量子状态，而真正的量子物理体系自然地拥有多种自由度的性质，即使是一个最简单的基本粒子，如单光子，它的性质也包括波长、动量、自旋和轨道角动量等等。

潘建伟对科技日报介绍说：“测量一个自由度，不干扰其他自由度，很困难。好比测量身高，尺子一拉，体重就受了影响。”

中科大此次就是进一步发展出了“非摧毁性的测量技术”。经过多年艰苦努力，研究人员成功制备了国际上最高亮度的自旋-轨道角动量超纠缠源、高效率的轨道角动量测量器件，突破了以往国际上只能操纵两光子轨道角动量的局限，搭建了6光子11量子比特的自旋-轨道角动量纠缠实验平台，从而首次让一个光子的“自旋”和“轨道角动量”两项信息能同时传送。

据中科大新闻网报道，该实验成果得到了《自然》杂志审稿人的高度评价，他们一致称赞该工作“绝对新颖、重要，处于当前量子光学和量子信息领域的最前沿，可以认为是一个伟大的成就”、“在1997年单个自由度量子隐形传态实验实现的18年之后，这个工作从基本概念上将量子隐形传态提升到了一个新的水平”、“非常有趣，意义重大，且具有极其苛刻的技术难度”。

由于该成果的重要性，《自然》杂志专门邀请国际知名量子光学专家Wolfgang Tittel教授在同期的“新闻视角”（News and Views）栏目撰文评论：“该实验实现为理解和展示量子物理的一个最深远和最令人费解的预言迈出了重要的一步，并可以作为未来量子网络的一个强大的基本单元”。

该论文发表后，第一时间受到了美国《科学新闻》（Science News）和欧洲物理学会新闻网站Physics World等多家国际媒体的报道，称“该工作不仅为提升量子力学基础问题的理解迈进了关键一步，也将在未来量子计算机的研制中扮演重要角色”。

应用：谢耳朵的难题还很遥远

看过《生活大爆炸》的读者可能还记得，谢耳朵曾经在剧中谈到过瞬间移动（teleportation）的伦理问题：如果我能够在此地被摧毁，然后在异地重建，那么使用了不同原子重建的我，还是我吗？

暂时还不用担心。中科大的这项研究距离宏观物体的远距传输还差的很远，其应用主要在于量子通信。在无线通信中，如果直接使用二进制编码会造成严重的误差，因此在数字通信中，人们还需要进行更复杂的编码。同样，从单自由度传输到多自由度传输的进步，对量子通信的实用化意义重大。

瞬间移动从字面上来看它是一个形容词，指物体移动速度快到一瞬间便能完成。但如何达到这种效果呢，瞬间移动这个词最常见于西方魔法名词，被认为是一种可以使人在一瞬间到达另一点的魔法。但根据现代物理学的发展，瞬间移动已被认为是可能的。从爱因斯坦的广义相对论来看，如果物体的引力或能量足够大，那么它将有足够的力量使空间发生扭曲，而使三维空间中的两个点被拉近，那么如果这种能量强到能让两个点几乎重合，那么我们就可以想象出这样的情况：从几乎重合的三维空间的两点之一穿过，将直接跨越两点间的三维空间而在同一时间出现在另外一点，这样便达到了瞬间移动的效果。另一种理解则是，在虫洞效应扩大范围的内心。也就是时间表，时间表是在我们和宇宙中存在的时间计算器。如果一个人死了，他的时间表就停止不动。而地球的时间表还在继续运行计算，在两面镜子中间你能从一面镜子里看到无限的重影。而这个空间就是不受时间计算的空间！也就是说，瞬间移动就是要把唯一的时间计算器暂停或搞坏。让时间计算器自我维修修复，用高压电流来让某部分的时间表超负荷这样自我修复开始。这时候你的运动不会算做时间，而你自我认知却实在时间内运动。当你移动到另一点的时候，其实你在运动进行其实没有算做时间内。所以在旁人看来你在瞬间移动。 “瞬间转移”和“穿墙术”是否能实现？ 通过量子信道，电子能瞬间逃离原子，小石子莫名其妙就穿过了碗壁，难道所谓的 “瞬间转移”和“穿墙术”这些曾经只出现在神话和科幻小说中的场景果真是可以实现的？ 《封神演义》中的土行孙，他会突然消失，一转眼又从别的地方冒出来。在科幻系列电影《星际旅行》中，发送人体是一件最平常不过的事情。在一台魔术装置中，宇航员的身体忽然一闪，便消失得无影无踪，之后他会出现在任何一处希望抵达的地点，甚至是外星球。只要那个地方有一台类似的接收器，除了平淡地说一句“发射我吧，苏格兰人！”之外，没有人会把它当做话题来谈论。 想象一下，如果这样的技术有一天能够普及，那么我们出门旅行再也不用费力的转乘各种交通工具，而只要运用这种传送工具，瞬间就能把我们“转移”到任何我们想去的地方。 韩正甫教授说，理论上这样的场景是可以实现的，物理学上叫做量子态隐形传物。从物理学角度，可以这样来想象隐形传物的过程：先提取原物的所有信息，然后将这些信息传送到接收地点，接收者依据这些信息，选取与构成原物完全相同的基本单元，制造出原物完美的复制品。 人类瞬间转移面临三大难题 隐形传物虽然理论上可行，但要真正实现人的隐形传送，目前还有许多技术难题尚未解决。 难题一： 人的身体是由物质组成的，如果用光速把人的身体移动到另一个地点，那么，就必须将它“唯物质化”。经物理学家计算，单单突破原子核内部的限定力，就必须把身体加热到1万亿摄氏度———这比太阳内部的热度还要高几百倍。只有在这一温度下，物质才能变为光，并通过光速输送到任何一个地点。而对每一个被输送的人来说，所使用的能量要超过迄今为止人类全部能量消耗的大约1000倍。 难题二： 发射仪器必须在目的地将人重新组合起来。为了知道如何组合，它就需要获得人体所有原子结构的精确信息。如果每一个原子约为1000字节，描述人体的所有原子总共需要10的31次方的字节，而目前世界上全部图书所含有的信息约为10的15次方字节，仅是完整描述一个人所需要的信息的1亿分之一。仅传输这些数据对于今天速度最快的计算机来说，也会花去比宇宙年龄还要长2000倍的时间。 难题三： 精确描述人的原子结构是最棘手的问题，从根本上来说是不可能的。因为根据海森伯测不准原理，我们不可能获得一个粒子的全部信息。例如，如果我们想知道一个粒子的位置，那么我们就会失去所有关于它的速度的信息，反之亦然。 相关研究：美奥科学家将原子隐形传送 早在2004年，美国和奥地利的物理学家就通过实验成功实现了隐形传物，论文发表在《自然》上，引起国际学术界的极大兴趣。 美国国家标准与技术研究所的科学家通过激光，将三个带有正电荷的铍原子的量子态复制到8微米外的另一个原子上。整个过程由计算机控制，仅耗时4毫秒，传输成功率达到78%。 奥地利因斯布鲁克大学的科学家领导的另一个研究小组则采用钙原子，同样实现了量子态隐形传输，成功率为75%。基本原理也是利用第三个原子为辅助，用激光将一个原子的量子态传递给另一个原子。也可以这样，用仪器进行多维跳跃，就像科幻小说中的飞船一样，也可实现瞬间移动。

北京时间1月7日凌晨，中国科学技术大学潘建伟团队在《自然》杂志上发表了题为“跨越4600公里的天地一体化量子通信网络”的论文，验证了广域量子保密通信技术在实际应用中的条件已初步成熟。

中国科学技术大学教授潘建伟表示：“我们的工作表明，量子通信技术对于大规模的实际应用已经足够成熟。类似地，如果把来自不同国家的国家量子网络合并在一起，并且如果大学，机构和公司聚集在一起以标准化相关协议、硬件等，则可以建立全球量子通信网络。”

目前该天地一体化量子通信网络已经接入包括金融、电力、政务等150多家行业用户。2019年初，国家电网有限公司基于该网络，建立了跨越2600公里的量子密钥分发信道，实现了电力通信数据加密传输，首次从工程上检验了星地量子通信开展实际业务的可行性。

“本工作发展的相关技术也为量子通信系统小型化、低成本、国产化奠定了基础。”中国科学技术大学方面表示，“最近团队成功研制了重量约百公斤的小型地面站，实现了与墨子号的星地量子密钥分发实验，和国际多个地面站的进行了星地量子密钥分发实验，未来有望进一步做到可单人搬运；同时，在保证密钥分发速率的前提下已经成功研制几十公斤的小型化空间量子密钥分发载荷，这些成果也为形成卫星量子通信国际技术标准奠定了基础。”

量子科技是利用量子态对信号变化灵敏度高的特征而产生的新技术！

量子科技主要应用于雷达，磁力仪等对微弱信号敏感的领域！

量子纠缠通信可解决航天黑障电磁波不能通信问题与潜航器保密通信问题以及行星际飞行器信号弱问题！

量子纠缠通信是点对点，无电磁波发射，无延时，无限制距离，可穿透电磁屏敝，无法侦测的优点！在航天与军事领域极重要！

航天飞机要与地面通信必须钻孔安装外部天线，隔热瓦就做不到全履盖！哥伦比亚号空中解体，七名航天员丧生！

如果航天飞机使用量子纠缠通信，就不用钻孔了，隔热瓦就可以全履盖了！航天飞机的安全性就大大的增加了！

量子测控是对量子纠缠原理的新的应用！可以对冥王星轨道飞行器直接测控，也可以对登陆机器人直接测控！是点对点的，无需使用中继设备！

量子计算方面连80286都比不上，量子计算机不能串并联，无法组网，量子数增加会产生高温导致量子态不稳定！