科普：“瞬间移动”真的能实现吗？与量子态隐形传输有何联系

人们对于“瞬间移动”这样的科技幻能总是怀有好奇心，梦想着有一天能够飞速到达自己想去的地方，随着物理学家和工程师逐步揭开量子隐形传输技术神秘的面纱，大家倾向于将“瞬间移动”等同于“量子隐形传输”，但是本文作者Andrian Cho的答案可能会令大家感到失望了。

有两个团队已经在量子隐形传输研究领域创造了新的传输记录：利用深不可测的量子力学知识将一个粒子的量子态迅速从一个位置迁移到另一个位置的粒子上。其中一个团队采用这种方法，运用一种光学纤维将一个光子的量子态穿越加拿大西南部的一个城市，卡尔加里，传输到6.2公里之外;另一个团队将多个光子的量子态穿越中国上海，传输到14.7公里之外。

据Nature Photonics今天报道，这两个团队在量子隐形传输领域的突破最终将催生一个牢不可破的量子互联网。但是，量子隐形传输是否会带来其他令人意想不到的裨益?未来，我们真的能利用它在一月一个寒冷的早晨实现“瞬间移动”吗?

我们何时能够利用量子隐形传输技术实现“瞬间移动”？

非常抱歉给出的答案令大家失望，但是，事实是，这种“科技幻能”将永远不能实现。撇去这种技术的名称不说，量子隐形传输与科幻电视系列剧《星际迷航》及其他科幻小说中描述的“瞬间移动”真的一点关系都没有。这种类型的“瞬间移动”通常是分解一个物质对象，通过空间传输分子物质，然后再另一个遥远的地方立即且完美地重组该物质实体。量子隐形传输不分解和重组任何对象，不涉及任何物质的移动。此外，该技术只运用于单一量子粒子层面：光子，电子，原子等。不论怎样，量子隐形传输与“真的”瞬间移动除了名称相同外，再无其他共同点。

倘若量子隐形传输不能移动物体或人，那么这种技术的用途到底体现在哪里？

与将一个远征队送到一个人类未至的星球上如此大的壮举相比，量子隐形传输的“小目标”似乎稍显逊色，不过，却有一种微妙的魔力。量子隐形传输能够立即将一个粒子的量子态传输到任意一个未知的位置，却不传送粒子本身。在某种意义上，有点像按照一个时钟上显示的时间，一模一样地调整远处另一个时钟上的时间。

为何读取一个时钟的时间，之后再另一个时钟上设置相同的时间，能够为我们带来如此大的震撼?

与读取时钟所显示的时间相比，一个粒子，如一个光子，的量子态更为复杂，更为微妙。读取一个时钟所显示的时间，然后，在另一个时钟上设置相同的时间，这种操作简单的不能再简单了，但是，我们无法在不改变一个粒子的量子态的前提下测量其量子态。我们无法将一个粒子的量子态“克隆”到另一个粒子上。量子力学的规律是不允许这样做的。相反，我们需要做的是找到一种方法，将甲粒子的量子态迁移到乙粒子上，而无需测量甲粒子的量子态。按上面提到的“时钟类比”来理解，就好像是在将一个时钟所显示的时间迁移到另一个时钟上，前提是不看第一个时钟上的时间。

如何才能使这种“时钟类比”法成为可能？

这的确有点难。你需要对量子态有些了解，才能更好地理解量子隐形传输。以单个光子为例。光子实质上是一种电磁波，因而，光子能够被“极化”，其电场将呈现水平或垂直分布。在神奇的量子力学中，光子能够同时以两种状态分布——因而，光子能够同时被垂直和水平极化。光子的状态由垂直量和水平量共同决定。

但是，量子隐形传输所涉及的知识并不是这么简单。除了光子能够同时呈垂直和水平两种偏振态，光子的状态由另一个参数决定，即“相位”。故，光子的状态由垂直量、水平量及相位三者共同决定。可以将光子想象成一个抽象的球体，北极代表垂直偏振态，南极代表后期的水平偏振态。

光子的精确状态是球体上的一个点，纬度代表在该状态水平偏振态和垂直偏振态之间的平衡，经度代表相位。因此，例如，赤道上的每一个点代表光子的一个状态，在该状态下垂直偏振态与水平偏振态达到平衡，但是，该状态的相位却是不同的，这时的相位能够通过某些更为复杂的测量方法获得。

为何不能直接从该“抽象球体”上直接读取该点（光子）的状态？

我们不能够直接从该“抽象球体”上直接读取该点(光子)的状态，因为量子粒子的测量结果仅能够提供有限的信息。就一个处于未知状态的光子而言，我们不能问球体上该状态的“坐标”是什么。相反，必须采用一种测量方法才能确定该状态的坐标。一个尤为重要的问题是：这个光子的极化方式是什么，垂直式或水平式?运用这种测量方法将获取一种结果，或者能够获取另一种结果，但是获取另一种结果的概率是由光子所处状态的垂直和水平偏振态共同决定的。不过，运用这种测量方法不能得出该状态的相位。测量光子的状态将导致原有状态发生改变，光子的状态将偏向一个极，完全呈水平偏振态或垂直偏振态。根据量子理论，打乱光子原有的状态是不可避免的。

运用“布洛赫球”上的一个点的“坐标”描述单个光子的状态。该点的纬度(角θ)决定水平极化和垂直极化两者间的平衡状态。经度(角ψ)没有对应的经典类比量，但是会产生许多不可思议的量子影响。

倘若不能够精确地测量光子的状态，有将如何实现量子隐形传输？

要实现量子隐形传输需要更多的光子，这又体现了量子力学不可思议的一面。两个光子可以用一种微妙的联系连接在一起，我们称之为“纠缠度量”。当两个光子“纠缠”在一起时，每一个光子的状态是完全不确定的，但是，两个光子的状态是紧密联系在一起的。因而，在我们的抽象球体上，每一个光子所处的位置依然是完全不确定——可以毫不夸张地讲，一个光子在不同的状态将指向任意一个方向。尽管存在这种不确定性，两个光子所处的状态能够紧密联系在一起，因而其量子态是完全相同的。也就是说，如果我们测量一个光子所处的状态，最终将导致其原始量子态发生变化，根据上述分析，我们会知道，不论两个光子相距多远，第二个光子的量子态将立即随第一个光子的量子态同步变化。对于量子隐形传输来讲，这种类型的光子对极为重要。

下面我们来介绍量子态紧密相联的光子对是如何实现量子隐形传输的。假定有两个人，分别命名为Alice和Bob，另外还有第三个人Charlie处于Alice与Bob之间。Alice准备传输一个光子，即她把这个光子定位于抽象球体的一个点上，通过光学纤维将光子传送给Charlie。与此同时，Charlie准备好一对相互“纠缠”的光子。他保留其中一个光子，将另一个光子传送给Bob。

现在我们来看一下两个相互“纠缠”的光子是如何实现量子隐形传输的。当Charlie接收到Alice的光子，他可以收下这个光子，并在自己保留的光子和来自Alice的光子之间构建一种特殊的“联合”测量方法。由于量子测量将改变光子的原始状态，Charlie的测量实质上将强制性地把这两个光子置于一种相互“纠缠”的状态。(Charlie的测量实质上提出这样一个问题：这两个光子是处于一个特殊的相互“纠缠”的状态，还是处于一个互补的状态?)

一旦Charlie用这种“纠缠度量”来测量两个光子的状态——来自Alice的光子与他从原始“纠缠”光子对中保留的光子，一件令人吃惊的事情将要发生了。由Charlie传送给Bob的光子立即还原Alice原来拥有的光子的量子态。也就是说，Alice的光子在球体上的坐标已经被隐形传输给Bob的光子，即使Bob离Charlie的距离有几公里远。

但是为什么会出现这种现象？

实验结果在很大程度上依赖于“纠缠度量”内在的联系。此外，为了弄清楚：为什么Alice光子的量子态最终迁移到Bob光子上，我们最好还是回过头来，好好思考这个数学问题。一旦我们熟悉这种测量方法，任意一个学习过高中代数的人都会做这种计算。

难道物理学家的工作真的这么简单吗?

与上述讲到的数学算法唯一不同的是，物理学家在实验中要保证两个光子的基本状态所到达的时间稍微不同，而不是极化状态不同。实验的难点在于：要确保传送给Bob的两个光子到达的时间大致相同，而且颜色和极化状态都要相同，否则，实验将不能成功进行。要在如此远的空间内实现隐形传输，这些将是技术层面的挑战。

那么量子隐形传输将会带来什么裨益？

即使上述分析有些抽象，量子隐形传输可以用于建立量子互联网。量子互联网将会与我们现在的互联网一样，不过，能够允许用户传输量子态，及量子态所包含的信息，不用传输经典信息，传输所耗费的时间为0秒到1秒之间。

目前，物理学家和工程师已经构建出了不太成熟的量子互联网，能够运用光学纤维传送安全信息。这些技术是通过运用单个光子分布数值键加密或解密经过编码的信息。该技术的实现主要在于病毒代码不能在不干扰光子，暴露自己的情况下，测量这些光子的量子态。但是，目前，这类网络不全是以量子力学为理论支撑，因为在网络的每一个结点出都需要对信息进行解码，编码，使得这些结点容易影响黑客。

运用量子隐形传输技术，物理学家与工程师可能会在一个网络中相距较远的结点间建立一种“纠缠”联系。原则上，这将导致用户在这些结点处忽略一些经过编码的信息，使得这些信息不易被破解。如果物理学家能够成功地研发出一种通用的量子计算机——使这种计算机能够运用量子比特进行计算，计算效率由于传统计算机，这种类型的量子网络将运用从远程终端加载计算机的初始设置。

未来将会发生什么？

没有人知道?不过，量子互联网将有可能比通用量子计算机更早地出现在我们的生活中。