量子隱形傳態(上):如何實現絕對安全的信息傳輸?
發布時間:2024-06-26
出品:科普中國
作者:欒春陽(清華大學物理系)
監制:中國科普博覽

最近,《哆啦A夢》又有新電影上映了,勾起了很多人的童年回憶。還記得,小時候這個電視劇里最吸引人的神奇道具之一,就是可以實現遠距離傳輸真實物體的“任意門”。

《哆啦A夢》里的任意門

(圖片來源:Doraemon wiki)

雖然人們至今還無法實現真實物體的遠距離傳輸,但是科學家們受到科幻作品的啟發,已經實現了微觀粒子量子態的遠距離傳輸,這也正是今天我們要分享的“量子隱形傳態”。

量子隱形傳態中的“隱形傳態”,就是指不改變某個微觀粒子的位置,而將微觀粒子的量子態信息直接進行遠距離傳輸,從而避免了微觀粒子本身的傳送過程。

因此,量子隱形傳態作為一種全新的信息傳輸方案,可以避免微觀粒子的傳送過程中容易被不法分子竊聽的問題,從而保證了信息傳送的絕對安全性。

量子隱形傳態(quantum teleportation)概念方案圖

(圖片來源:Wikipedia)

在實際應用中,量子隱形傳態方案已經實現了上千公里的超遠距離傳遞,并且具有較高的信息傳輸規模,從而成為了實現絕對安全的量子保密信息傳輸的關鍵技術之一。

那么,科學家們是如何提出如此奇妙的量子隱形傳態方案呢?要想實現該方案,我們需要做哪些技術儲備呢?對于量子隱形傳態方案,科學家們目前又取得了哪些研究突破和具體應用了呢?

?

量子隱形傳態的基礎——奇妙的“量子糾纏”

其實,要想將某個微觀粒子的量子態,通過量子隱形傳態方案傳輸到遠處,并不能像科幻作品中那樣,說一聲“變”就能實現。而是需要消息的發送方和接收方,提前擁有一對特殊的“電報機”才可以實現。在量子隱形傳態方案中,通常采用一對處于量子糾纏狀態的量子比特來充當這對“電報機”。

生活中的電報機

(圖片來源:veer圖庫)

因此,要想了解量子隱形傳態方案,我們就必須要先了解一下什么是量子糾纏。

在奇妙的量子世界中,量子比特就是我們所能調控和運算的最小信息單元。而量子比特之間會發生奇妙的量子糾纏,仿佛“心靈感應”一般,可以實現遠距離的相互作用。

打個比方,一對處于量子糾纏狀態的量子比特就像一副手套一樣,它們之間無論相距多遠,總是彼此存在特定的關聯。

假如其中一只手套被遺忘在家里,而另外一只手套仍然在我們隨身的包中。在我們未觀察到包中的手套狀態之前,我們并不知道這兩只手套各自的狀態,只能說它們處于不確定的“左/右”糾纏狀態。

一旦我們觀察到包中的手套處于左手的確定狀態時,我們就可以立即推斷出,遺忘在家里的手套是處于右手的確定狀態。也就是說,雖然我們沒有拿到另外一只手套,卻已經完成了手套狀態的信息傳輸。

處于量子糾纏的一對量子比特

(圖片來源:veer圖庫)

對于一對處于量子糾纏狀態的量子比特而言,也是類似的道理,無論彼此相距多遠,它們之間始終存在特殊的關聯性。當發送方的量子比特的狀態發生改變,接收方的量子比特也會發生相應的變化。

因此,科學家們就可以利用量子比特之間奇妙的量子糾纏,來作為通信雙方特殊的“電報機”,實現微觀粒子量子態的遠距離傳輸。

?

量子隱形傳態的第一步——分發處于量子糾纏狀態的量子比特對

作為遠距離量子信息傳輸的核心技術,量子隱形傳態需要利用量子糾纏技術,來將微觀粒子的量子態傳輸到遙遠的地方,從而實現絕對安全和可靠的量子信息傳輸。

因此,這對量子比特作為雙方特制的“電報機”,就需要科學家們提前將這對量子比特,分發到信息的發送方和接收方,從而讓雙方采用量子隱形傳態方案,實現微觀粒子的量子態傳輸

量子比特糾纏對的分發過程示意圖

(圖片來源:作者自繪)

為了讓大家能夠更加直觀地理解上述過程,我們可以采取如下的假設:

首先,小王在甲地,而小李在遙遠的乙地。此時,小王希望將自己手中微觀粒子的量子態,采用量子隱形傳態方案來安全地傳輸給遠處的小李。

那么,小王和小李就需要一對處于量子糾纏狀態的量子比特,作為彼此特制的“電報機”。接下來,科學家們就需要將一對糾纏的量子比特A和B,分別分發給小王和小李。

需要注意的是,由于量子比特A和B的分發過程,極其容易受到外界環境的干擾而降低保真度。因此,科學家們需要采用光纖網絡或者衛星傳輸等特定方式,來保證小王和小李各自都能接收到保真度足夠高的量子比特A和B。

也就是說,雖然在理論上,量子隱形傳態方案可以將微觀粒子的量子態傳輸到任意遠的距離。然而,受限于量子糾纏對有效的分發距離,微觀粒子量子態的實際傳輸距離仍然需要一步一步地提升。

?

量子隱形傳態的第二步——通信雙方還需要再次溝通

在完成量子比特的分發后,小王和小李就各自擁有了量子比特A和B,并且兩個量子比特之間仍然存在量子糾纏。

那么,小王就可以將自己手中的微觀粒子與量子比特A,進行一系列的特定測量操作,并且根據不同的測量操作得到一系列的測量結果。這個過程可以類比于,小王采用自己手中特制的“電報機”,來將微觀粒子的量子態信息與“電報機”進行一系列的交互操作。

量子態信息的發送方進行操作的示意圖

(圖片來源:作者自繪)

與此同時,量子比特A在經過小王的操作后已經發生改變。由于量子比特A和B之間存在量子糾纏,小李手中的量子比特B也會隨之發生改變。

但是,小李此時并不知道量子比特B發生的改變究竟意味著什么。只有小王告訴小李,當初對量子比特A做了哪些測量操作和測量結果,小李才可以讀懂量子比特B改變的含義。

量子態信息的接收方進行操作的示意圖

(圖片來源:作者自繪)

這個過程有點難以理解,我們仍然可以用“電報機”進行類比。

也就是說,此時小李手中的“電報機”雖然也出現了一系列的變化,但是小李并不知道“電報機”輸出的奇怪代碼如何才能正確翻譯成為真實傳輸的量子信息。那么,小李就需要等到小王告訴他當初采取了怎樣的編碼規則,才可以真正讀取微觀粒子的量子態信息。

因此我們不難發現,在量子隱形傳態方案中,雖然通信雙方可以借助量子糾纏來實現“瞬間的”量子態信息的傳輸,然而信息的接收方卻無法直接讀取量子態的信息。

也就是說,只有通信雙方借助光纖網絡、衛星傳輸等經典信道,來實現彼此的測量信息交互,才能真正完成量子隱形傳態過程。

?

結語

綜上所述,量子隱形傳態的優勢在于能夠將微觀粒子的量子態信息絕對安全地傳輸到遙遠的地方,而不需要傳輸物體本身。

但是,受限于量子糾纏對有效的分發距離,科學家們仍然致力于不斷提升微觀粒子量子態的實際傳輸距離。此外,早期的量子隱形傳態方案信息傳輸的規模十分有限,單次只能傳輸微觀粒子少量的量子態信息,并不能有效傳輸微觀粒子的全部量子態信息。

那么,為了解決實際傳輸距離和傳輸規模的兩大限制,足智多謀的科學家們在實際應用中又采用了哪些奇妙的解決方案呢?當前,量子隱形傳態方案又是否已經在實際中得到應用了呢?請各位小伙伴保持好奇心,讓我們在下一篇文章中為大家一一解答心中的疑惑吧!

?

科普中國官方網站: https://www.kepuchina.cn/
關閉
亚洲国产午夜中文,国产熟女一区二区三区四区五区,被按摩师玩弄到潮喷在线播放,欧美一区二区三区久久综合