量子隐形传态突破距离纪录

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本文发表于《大众科学》的前博客网络,反映了作者的观点,不一定反映《大众科学》的观点


两组研究人员已将量子隐形传态的距离扩展到前所未有的长度,大致相当于纽约市和费城之间的距离。但不要期望隐形传态站会取代机场或火车站——隐形传态方案仅转移单个光子的量子态。尽管部分转移是瞬间发生的,但读取隐形传态量子态所需的步骤确保了信息的传递速度不会超过光速。

量子隐形传态依赖于量子纠缠现象,量子粒子通过量子纠缠在空间中共享脆弱的、无形的联系。例如,两个纠缠的光子可以具有相关的、相反的偏振态——例如,如果一个光子是垂直偏振的,那么另一个光子必须是水平偏振的。但是,由于量子力学的复杂性,每个光子的特定偏振态都保持未确定状态,直到其中一个被测量。在那一瞬间,另一个光子的偏振会立即变为相反的方向,即使纠缠对之间相隔数公里。

纠缠光子对充当标准隐形传态方案中的中介。假设爱丽丝想将一个光子的量子态隐形传态给鲍勃。首先,她取一对纠缠光子中的一个,鲍勃取另一个。然后,爱丽丝让她的纠缠光子与要隐形传态的光子发生干涉,并进行偏振测量,其结果取决于她的两个粒子的量子态。


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由于爱丽丝和鲍勃之间通过纠缠建立的联系,鲍勃的光子瞬间感受到爱丽丝进行测量的影响。鲍勃的光子呈现出爱丽丝原始光子的量子态,但以某种混乱的形式呈现。鲍勃无法恢复爱丽丝想要隐形传态的量子态,除非他通过根据爱丽丝的测量结果调整他的光子来逆转这种混乱。因此,他必须等待爱丽丝的消息,了解如何完成隐形传态——而且这个消息的传递速度不能超过光速。这种限制确保了隐形传态信息遵守宇宙速度限制。

即使隐形传态不允许超光速通信,它也确实提供了一条绕过另一个被称为不可克隆定理的物理学障碍的途径。该定理指出,人们不能完美地复制一个量子物体,例如,将副本发送给另一个人。但隐形传态并没有创建副本本身——它只是将量子信息从一个地方转移到另一个地方,在此过程中摧毁了原始信息。

即使爱丽丝不知道鲍勃在哪里,隐形传态也可以安全地传输量子信息。鲍勃可以将他的纠缠粒子带到任何他喜欢的地方,爱丽丝可以通过任何传统渠道——无线电波、互联网——广播她的指令,说明如何解开隐形传态状态。如果没有与爱丽丝的纠缠联系,这些信息对窃听者来说将毫无用处。

物理学家指出,量子纠缠和隐形传态有一天可能成为连接假设的量子处理器或在遥远方之间实现安全通信的量子通道的支柱。但就目前而言,隐形传态现象还处于令人惊叹的探索阶段,各个物理学家小组正在设计新的测试,以突破实验可能性的极限。

在8月9日出版的《自然》杂志上,一个中国研究小组报告称实现了跨越中国青海湖的量子隐形传态,距离为97公里。(《大众科学》是自然出版集团的一部分。)这一距离超过了之前的记录,之前的记录是由包括几位相同研究人员的小组创造的,为16公里。

但最近的一项研究似乎将标准推得更高。在5月17日发布到物理学预印本网站arXiv.org上的一篇论文中,就在中国研究小组在同一网站上宣布他们的成就八天后,一个欧洲和加拿大小组声称已经将信息从加那利群岛的一个岛屿隐形传态到另一个岛屿,距离为143公里。该论文尚未经过同行评审,但来自一个非常著名的研究小组。

两组物理学家都面临着严峻的实验挑战——将单个光子发送100公里,然后将其从空气中取出绝非易事。实际上,两组研究人员的爱丽丝和鲍勃都需要激光锁定的望远镜来发送和接收他们的光子,以及用于修改和测量光子量子态的复杂光学器件。

但这与物理学家们为未来实验所设想的相比,简直不值一提。两个研究小组都指出,他们的工作是未来基于太空的隐形传态的一步,在这种隐形传态中,量子信息将从地面束缚到轨道卫星。

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