研究人员首次隐形传输了三元量子位，这是一种由三部分组成的量子信息单元。两个独立团队的成果是量子隐形传态领域的重要进展，该领域长期以来一直局限于量子位——类似于经典计算中使用的二进制“比特”的量子信息单元。
这些概念验证实验表明，三元量子位比量子位能够携带更多信息，且对噪声的抵抗力更强，未来或可用于量子网络。
中国物理学家郭光灿及其在中国科学技术大学（USTC）的同事于 4 月 28 日在预印本论文中报告了他们的研究结果，尽管该论文尚待在同行评审期刊上发表。6 月 24 日，另一个团队，一个由奥地利科学院的安东·塞林格和中国科学技术大学的潘建伟领导的国际合作团队，在预印本论文中报告了他们的研究结果，该论文已被《物理评论快报》接受发表。如此接近的时间——以及结果的重要性——使得每个团队都在争夺荣誉，并对对方的工作提出批评。
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威廉姆斯学院的物理学家威廉·伍特斯（他没有参与这两项研究）说：“这些[实验]中的每一项都是隐形传态技术的重要进步。”
把我传送上去？
量子隐形传态这个名字让人联想到《星际迷航》中的技术，其中的“传送器”可以将宏观物体——甚至是活人——在遥远的空间点之间“传送”。但现实并没有那么迷人。在量子隐形传态中，被传输的是两个量子纠缠粒子的状态——例如，电子的自旋。即使相隔遥远，纠缠粒子也共享着一种神秘的联系；就两个纠缠电子而言，无论其中一个电子的自旋发生什么，都会瞬间影响另一个电子的自旋。
“隐形传态”也让人联想到超光速通信，但这种想法也是错误的。如果爱丽丝想通过量子隐形传态向鲍勃发送消息，她必须用通过光子传输的经典信息来配合——速度是光速，但不会更快。那么，这有什么用呢？
奇怪的是，量子隐形传态在未来也可能对安全通信具有重要的实用价值，而且许多研究的资金都考虑到了网络安全应用。2017 年，潘建伟、塞林格及其同事利用中国的“墨子号”卫星进行了世界上最长的通信实验，跨越 7600 公里。两个光子——每个都充当量子位——被发射到维也纳和中国。通过获取关于光子状态的信息，每个地点的研究人员都能够有效地构建一个无法破解的密码，他们用这个密码进行了一次安全的视频通话。这项技术就像信件上的火漆封印：任何窃听都会干扰并留下可检测的痕迹。
研究人员已经尝试隐形传输更复杂的粒子状态，并取得了一些成功。在 2015 年发表的一项研究中，潘建伟及其同事成功地隐形传输了一个光子的两种状态：自旋和轨道角动量。然而，这些状态中的每一个都是二进制的——该系统仍然在使用量子位。到目前为止，科学家们从未隐形传输过任何更复杂的状态。
化不可能为可能
一个经典比特可以是 0 或 1。它的量子对应物，量子位，通常被称为 0和 1——两种状态的叠加。例如，考虑一个光子，它可以表现出水平或垂直偏振。这样的量子位对于研究人员来说很容易构建。
一个经典三进制位可以是 0、1 或 2——这意味着一个三元量子位必须体现所有三种状态的叠加。这使得三元量子位比量子位更难制造。
为了创建他们的三元量子位，两个团队都使用了光子的三分支路径，这通过精心设计的激光器、分束器和硼酸钡晶体光学系统来实现。潘建伟和塞林格团队新论文的共同作者、物理学家陆朝阳说，思考这种神秘装置的一种方式是著名的双缝实验。在那个经典的实验中，一个光子同时穿过两条狭缝，形成波状干涉图样。每条狭缝都是 0和 1 的状态，因为一个光子同时穿过两条狭缝。为光子添加第三条狭缝以穿过，结果就是一个三元量子位——一个由三种状态的叠加定义的量子系统，其中光子的路径有效地编码了信息。
从光子创建三元量子位只是更大战役中的开场小冲突。两个团队还必须将两个三元量子位纠缠在一起——这不是一件容易的事，因为光很少与自身相互作用。
至关重要的是，他们必须确认三元量子位的纠缠，也称为贝尔态。贝尔态是以量子信息理论的先驱约翰·斯图尔特·贝尔命名的，它是粒子最大程度纠缠的条件。确定三元量子位处于哪种贝尔态对于从中提取信息并证明它们以高保真度传递了该信息是必要的。
在这种情况下，“保真度”的构成是什么？伍特斯说，想象一下一对灌铅的骰子：如果爱丽丝有一个总是掷出 3 的骰子，但当她把它送到鲍勃那里后，它只有一半的时间掷出 3，那么系统的保真度就很低——它很可能会破坏它传输的信息。准确地传输消息非常重要，无论通信是否是量子的。在这里，各团队对保真度存在争议。郭光灿和他的同事认为，他们对 10 个状态进行的贝尔态测量足以作为概念验证实验。但塞林格和潘建伟的团队认为，郭光灿的团队未能测量足够多的贝尔态，以明确证明其具有足够高的保真度。
尽管存在温和的互相批评，但各小组之间的竞争仍然相对友好，即使第一个三元量子位的量子隐形传态的来源悬而未决。两个团队都同意各自已经隐形传输了一个三元量子位，并且他们都有超越三元量子位的计划：达到四能级系统——四元量子位——甚至更高。
不过，一些研究人员不太信服。东京大学的物理学家古泽明（Akira Furusawa）表示，这两个团队使用的方法不适合实际应用，因为它速度慢且效率低下。研究人员承认了这种批评，但为他们的研究结果辩护，认为这是一项正在进行中的工作。
陆朝阳说：“科学是循序渐进的。首先，你让不可能的事情成为可能。然后你努力让它更完美。”
编者注（2019 年 8 月 6 日）：本文在发布后经过编辑，以更正安东·塞林格和潘建伟最近的预印本研究的日期，以及他们 2017 年涉及中国“墨子号”卫星的实验的描述。