空间跳跃有望实现可持续量子隐形传态已达4

本月初，一篇名为《通往量子互联网的隐形传态系统》（TeleportationSystemsTowardaQuantumInternet）的文章由RajuValivarthi等研究人员发布在一个物理评论杂志《PRXQUANTUM》上。

这个研究量子隐形传态的团队是由美国能源部的费米实验室，加州理工学院，卡尔加里大学和AT＆T铸造厂等合作伙伴组成的，他们宣布了对长距离持续的高保真量子隐形传态的首次展示，传送距离已达44公里。

在讲这个重大突破之前，我们先来讲讲量子和量子隐形传态。

之前我有提过，量子是参与相互作用的任何物理实体的最小数量，但它既是波也是粒子，也可以说它既不是波也不是粒子。因为当你说它是波时，它有干涉和衍射但却没有确定物理量；说它是粒子时它可数也有确定的质量和电荷，但却没有确定的轨道。

而量子隐形传态技术，实际上并不涉及传统意义上的物质转移，主要是量子态从一个位置到另一个位置的转移。换句话说，在不改变量子位置的情况下，把特定的信息在远端的另一个量子上重建起来，却不需要真正的介质。

量子隐形传态这个概念我们其实经常会在科幻片里看到，瞬间传输或者虫洞跳跃大多是基于这个理念。如果换成更常见的东西，就像是《魔兽世界》游戏里法师的“闪现”，却无残影；也像是魔术里的“大变活人”，但变出来的主要是数据；还可以像是苹果系统的“隔空传送”，但距离更远，形式上也有所不同。

量子隐形传态听起来比较难懂，但它需要的东西其实并不多。主要是需要基于一种物理世界里的量子纠缠现象去实现。通过量子纠缠，位于不同位置的两个粒子无论距离多远，“纠缠”的一对粒子共享的编码信息都可以在它们之间传递。

量子纠缠现象是在年由爱因斯坦（AlbertEinstein）等人在对他人文章有所质疑时发现的。当一对或一组粒子以某种方式生成，相互作用时，就会发生这种现象。这种现象会令这些粒子中每一个粒子的量子态都不能独立于其他粒子，即便是将它们分开存放。

处于纠缠态的两个微观粒子无论相距多远都存在着一种关联，如果一个粒子被测量并改变状态，则另一粒子的状态将相应地进行改变，就像双胞胎之间有“心灵感应”一般。通过量子纠缠，位于不同位置的两个粒子通过一种看不见的力连接在一起，这种力被爱因斯坦称为“远距离的鬼动作”。

但这个纠缠现象又跟心灵感应有所不同。比如，生成了一对纠缠的粒子，其中一个粒子在第一个轴上具有顺时针旋转，则另一个粒子的旋转在同一轴上测得，但会被发现是逆时针方向。或者是，如果一个光子的偏振态是向上的，那么另一个光子的偏振态将会是向下的。

但是，这种纠缠行为也会产生看似矛盾的效果：对粒子性质的任何测量都会导致不可逆的波函数崩溃并改变纠缠的粒子的原始量子态，这类测量会影响整个纠缠的系统。所以在很长一段时间里，科学家们的目标就是制备出不会被轻易改变原始量子态的纠缠光子，用来进一步研究量子隐形传态。

量子隐形传态并不是个全新发现，但这个团队的突破之所以值得拎出来大讲特讲，主要有下面几个原因。

一是先前许多关于量子隐形传态的研究被证实在长距离内不稳定。比如年有项世界纪录一般的重大成就，讲的是卡尔加里大学的研究人员能够在6公里的距离内进行量子隐形传态。

二是目前的研究人员希望扩大这种量子隐形传态的规模，可以使用量子纠缠来发送信息，同时还可使用量子存储器来存储信息。

三是在此前的7月，美国能源部公布了首个量子互联网的蓝图，该量子互联网计划将多个国家实验室连接起来。

所以，这项研究可以为“可行的量子互联网奠定基础”。根据这个研究团队的说法，功能量子互联网可以通过纠缠，在远距离上共享以量子比特存储的信息，它将改变安全通信，数据存储，精确感测和计算等领域。故而他们认为高保真量子隐形传态对于安全的长距离通信和实用的量子互联网至关重要。

这个团队表示，研究主要目的是传送量子比特的状态。所以他们建立了一个具有三个节点的紧凑网络：爱丽丝，查理和鲍勃。

在这个实验里，爱丽丝向查理发送了一个量子比特。鲍勃有一对纠缠的量子比特，并且还向查理发送了一个量子比特，在此干扰了爱丽丝的量子比特。查理将爱丽丝的量子比特投影到纠缠的量子贝尔状态，该状态将爱丽丝的原始量子比特的状态转移到鲍勃的其余量子比特。

这个过程演示了一种量子隐形传态协议，由爱丽丝发送的光子量子比特与鲍勃的纠缠光子对中的一个量子比特发生干涉，并被查理投射到贝尔状态，从而使爱丽丝的量子位状态可以转移到鲍勃纠缠的光子对的其余成员上。

根据实验，在爱丽丝和查理（鲍勃和查理）之间引入了多达22（11）km的单模光纤，在鲍勃处又引入了多达11km的单模光纤。所有量子位均以时钟速率生成，其所有测量值均使用数据采集（DAQ）系统收集。

通过共享这些量子计算基本单位的量子比特，研究人员希望能够创建以惊人速度共享信息的量子计算机网络。

这个团队的测量是在加州理工学院和费米实验室的量子网络测试台（CQNET，FQNET）上进行的，使用了与现有的电信基础设施和新兴的量子技术都兼容的“现成的”设备，以及最先进的固态光检测器。他们以成功的贝尔状态测量（BSM）为条件，对时空量子比特进行量子隐形传态，平均波长为.5nmF≥90％。

为了说明网络兼容性，在量子比特生成和传输的量子比特的测量之间，使用多达44公里的单模光纤进行传输，并使用半自治控制，监视和同步系统来促进传输，随后使用了可伸缩的采集硬件来收集结果。

总的来说，这个试验的传送保真度仍受到叠加状态下准备的传送量子比特的限制，并且，在赫兹范围内的光纤长度目前隐形传送速率仍然很低。但是，这个团队最终很成功地将保真度大于90%的光子量子比特和带有窄带纠缠光子对的时空量子比特传送到了44公里的光纤上，为将来的全球量子互联网奠定了基础。