量子隱形傳態(下):科幻與現實的結合
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

?在上一篇文章中,我們介紹了奇妙的量子隱形傳態方案,它是一種利用量子比特間的量子糾纏效應,來將量子比特的量子態傳輸到遙遠的地方,而不用傳送量子比特本身的全新技術。

需要注意的是,量子隱形傳態并非我們想象中的,可以瞬時傳送物質的“任意門”。這是因為,雖然發送方可以通過量子糾纏來實現量子態信息的“瞬間傳輸”,但是接收方仍然需要等待收到發送方的一系列指令,才能真正讀取量子態的信息。

量子傳輸的概念圖

(圖片來源:veer圖庫)

因此,量子隱形傳態方案并不能傳送實物的本身,也并不能實現超光速的信息傳輸。該方案的核心優勢在于,其可以從根本上避免量子比特在傳送過程中,容易被不法分子竊聽的安全問題。

實際上,量子隱形傳態作為一種絕對安全的信息傳輸方案,已經成為遠距離量子信息傳輸的核心功能單元。那么,既然該方案這么具有應用前景,科學家們目前已經取得了哪些研究突破和具體應用了呢?

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量子隱形傳態的早期發展

其實早在1993年,物理學家查爾斯·本內特(Charles H. Bennett)等人就提出,希望利用一對處于量子糾纏狀態的微觀粒子對,來實現單個微觀粒子的量子態的遠距離傳輸,由此掀起了研究量子隱形傳態的熱潮。

1993年,查爾斯·本內特等人最早提出的量子隱形傳態

(圖片來源:Physical Review Letters)

雖然當時的科學家們一直致力于量子隱形傳態方案的研究。但是受限于當時的實驗技術條件,科學家們在早期階段難以在實驗上成功驗證該方案的可行性。

直到1997年,來自奧地利的塞林格(Anton Zeilinger)研究團隊在實驗上取得突破性進展,他們將利用一對處于量子糾纏狀態的光子對進行分發,從而實驗單個光子的二維量子態(即單光子不同的偏振態)的信息傳遞,從而首次在實驗上驗證了量子隱形傳態方案的可行性。

1997年,塞林格(Anton Zeilinger)研究團隊實現的量子隱形傳態

(圖片來源:Nature)

然而,量子隱形傳態方案只能傳輸單個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。例如,對于一個具有二維量子態信息的微觀粒子而言,其只能處于0態或者1態。因此,科學家們希望突破量子隱形傳態方案中單次信息傳輸的規模限制,來構建出更高維度的量子信息通道。

此外,在量子隱形傳態方案中,信息的發送方和接收方需要預先分發處于糾纏態的粒子對,才可以實現量子態信息的遠距離傳輸。因此,只有提高量子糾纏分發過程中的有效距離,才能真正實現遠距離的量子隱形傳態。

幸運的是,得益于科學家和工程技術人員的不懈努力,量子隱形傳態方案正在朝著更寬的信道和更遠的傳輸距離快速發展,已經走出實驗室并且取得了重要的實際應用。

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量子隱形傳態的目標之一——更遠的距離

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信息實現任意無限遠距離的傳輸。然而在實驗上,科學家們仍然需要一步一步地提高提高量子糾纏分發過程中的有效距離,才能實現遠距離的量子隱形傳態。

直到2004年,來自奧地利的塞林格(Anton Zeilinger)研究團隊利用一根長度約為800米,鋪設在多瑙河底的光纖來進行糾纏光子對的分發,才實現了光子量子態的遠距離傳輸。

2004年,塞林格研究團隊實現了800米距離的量子隱形傳態

(圖片來源:Nature)

在2009年,來自中國科學技術大學的潘建偉研究團隊與清華大學物理系共同合作,在北京市八達嶺與河北省懷來之間,成功實現了長達16公里的量子隱形傳態,并且打破了當時世界最遠距離的紀錄。這次長距離量子態傳輸實驗的成功,也同時驗證了量子隱形傳態穿越地表大氣層的可行性,為后續搭建基于衛星中繼的全球量子信息網絡提供了有力的技術支撐。

2009年,潘建偉研究團隊實現了長達16公里的量子隱形傳態

(圖片來源:Nature Photonics)

隨后,在2012年,來自中國科學技術大學的潘建偉研究團隊和奧地利的塞林格(Anton Zeilinger)研究團隊,分別獨立地在實驗上實現了百公里量級的量子態隱形傳態,從而進一步刷新了當時世界上最長的量子隱形傳態紀錄。

2012年,潘建偉研究團隊實現了百公里量級的量子隱形傳態

(圖片來源:Nature)

受限于光纖傳輸過程中的損耗,科學家們不得不將糾纏光子對的分發過程,從地面的光纖轉移到天上的衛星,從而實現千公里量級超長距離的量子態隱形傳態。

于是在2017年,潘建偉研究團隊與國內多家科研院校合作,利用“墨子號”量子科學實驗衛星,成功將量子隱形傳態的距離提升至大約1400公里,從而首次實現了天地間超遠距離的量子隱形傳態。

2017年,潘建偉研究團隊實現了1400公里的天地間的量子隱形傳態

(圖片來源:Nature)

而就在2021年,潘建偉研究團隊再次取得突破性的科研進展,在國際頂級學術期刊《自然》雜志上,發表了一篇題為《跨越4600公里的天地一體化量子通信網絡》的論文,這標志著中國研究團隊已經在量子通信領域處于國際領先水平,我國也已經初步構建出天地一體化的量子信息傳輸網的雛形。

2021年,中國研究團隊構建出天地一體化的量子信息傳輸網的雛形

(圖片來源:Nature)

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量子隱形傳態的目標之二——更高的維度

其實,真實的微觀粒子的量子態信息十分豐富和復雜。這是因為,微觀粒子往往包含多個自由度,并且每個自由度又包含多個維度的量子態信息。

因此,要想真正實現微觀粒子的所有量子態的完整傳輸,就需要將量子隱形傳態方案進一步拓展到更高的維度,從而突破單次傳輸過程的信息規模限制。

在早期的研究階段,科學家們通常采用光子的偏振態,作為需要傳輸的量子態信息進行量子隱形傳態。實際上,光子還存在其他的量子態信息(如軌道角動量、空間模式等),因此,科學家們要想實現光子的全部量子態傳輸,就需要采用更高維度的量子隱形傳態方案。

2015年,潘建偉研究團隊首次實現了單個光子的多自由度的量子隱形傳態。這項研究結果表明,單個微觀粒子的全部量子態信息,都可以采用量子隱形傳態方案進行有效傳輸。

2015年,潘建偉研究團隊首次實現了單個光子的多自由度的量子隱形傳態

(圖片來源:Nature)

隨后,在2019年,潘建偉研究團隊與奧地利的塞林格小組合作,在國際上首次成功實現了具有高達12個維度的量子體系的隱形傳態。這標志著科學家們首次在理論和實驗上,將量子隱形傳態方案擴展到任意高的維度,從而為更復雜的量子態傳輸以及更高效的量子傳輸網絡提供了堅實的技術基礎。

2019年,潘建偉等研究團隊成功實現了具有高維度的量子隱形傳態

(圖片來源:Physical Review Letters)

此外,也有來自中國的其他研究團隊隨后也取得突破性的進展。

就在2020年,來自中國科學技術大學的郭光燦研究團隊,進一步提高了量子隱形傳態的傳輸維度,實現了當時世界上保真度最高的具有32個維度的量子體系的隱形傳態。

2020年,郭光燦研究團隊成功實現了具有32個維度的量子隱形傳態

(圖片來源:Physical Review Letters)

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結語

我們不難發現,經過30年的發展,量子隱形傳態不僅具備了超遠距離傳輸量子態的能力,而且還可以實現任意高維度的量子態傳輸,已經成為建立遠距離量子傳輸網絡的關鍵核心技術。

通往未來量子世界的概念圖

(圖片來源:veer圖庫)

隨著科學家們對量子隱形傳態方案研究的不斷深入,我們正在不知不覺中走向通往未來量子世界的奇妙旅程。相信在不久的將來,我們能夠逐步將最初的科幻夢想變為現實,從而一起迎接無限奇妙的未來世界。

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參考文獻

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