講真,量子隱形傳輸與「瞬間移動」毫無關係

編者按:人們對於「瞬間移動」這樣的科技幻能總是懷有好奇心,夢想着有一天能夠飛速到達自己想去的地方,隨着物理學家和工程師逐步揭開量子隱形傳輸技術神秘的面紗,大家傾向於將「瞬間移動」等同於「量子隱形傳輸」,但是本文作者Andrian Cho的答案可能會令大家感到失望了。

有兩個團隊已經在量子隱形傳輸研究領域創造了新的傳輸記錄:利用深不可測的量子力學知識將一個粒子的量子態迅速從一個位置遷移到另一個位置的粒子上。其中一個團隊採用這種方法,運用一種光學纖維將一個光子的量子態穿越加拿大西南部的一個城市,卡爾加里,傳輸到6.2公里之外;另一個團隊將多個光子的量子態穿越中國上海,傳輸到14.7公里之外。

據Nature Photonics今天報道,這兩個團隊在量子隱形傳輸領域的突破最終將催生一個牢不可破的量子互聯網。但是,量子隱形傳輸是否會帶來其他令人意想不到的裨益?未來,我們真的能利用它在一月一個寒冷的早晨實現「瞬間移動」嗎?

我們何時能夠利用量子隱形傳輸技術實現「瞬間移動」?

非常抱歉給出的答案令大家失望,但是,事實是,這種「科技幻能」將永遠不能實現。撇去這種技術的名稱不說,量子隱形傳輸與科幻電視系列劇《星際迷航》及其他科幻小說中描述的「瞬間移動」真的一點關係都沒有。這種類型的「瞬間移動」通常是分解一個物質對象,通過空間傳輸分子物質,然後再另一個遙遠的地方立即且完美地重組該物質實體。量子隱形傳輸不分解和重組任何對象,不涉及任何物質的移動。此外,該技術只運用於單一量子粒子層面:光子,電子,原子等。不論怎樣,量子隱形傳輸與「真的」瞬間移動除了名稱相同外,再無其他共同點。

倘若量子隱形傳輸不能移動物體或人,那麼這種技術的用途到底體現在哪裡?

與將一個遠征隊送到一個人類未至的星球上如此大的壯舉相比,量子隱形傳輸的「小目標」似乎稍顯遜色,不過,卻有一種微妙的魔力。量子隱形傳輸能夠立即將一個粒子的量子態傳輸到任意一個未知的位置,卻不傳送粒子本身。在某種意義上,有點像按照一個時鐘上顯示的時間,一模一樣地調整遠處另一個時鐘上的時間。

為何讀取一個時鐘的時間,之後再另一個時鐘上設置相同的時間,能夠為我們帶來如此大的震撼?

與讀取時鐘所顯示的時間相比,一個粒子,如一個光子,的量子態更為複雜,更為微妙。讀取一個時鐘所顯示的時間,然後,在另一個時鐘上設置相同的時間,這種操作簡單的不能再簡單了,但是,我們無法在不改變一個粒子的量子態的前提下測量其量子態。我們無法將一個粒子的量子態「克隆」到另一個粒子上。量子力學的規律是不允許這樣做的。相反,我們需要做的是找到一種方法,將甲粒子的量子態遷移到乙粒子上,而無需測量甲粒子的量子態。按上面提到的「時鐘類比」來理解,就好像是在將一個時鐘所顯示的時間遷移到另一個時鐘上,前提是不看第一個時鐘上的時間。

如何才能使這種「時鐘類比」法成為可能?

這的確有點難。你需要對量子態有些了解,才能更好地理解量子隱形傳輸。以單個光子為例。光子實質上是一種電磁波,因而,光子能夠被「極化」,其電場將呈現水平或垂直分佈。在神奇的量子力學中,光子能夠同時以兩種狀態分佈——因而,光子能夠同時被垂直和水平極化。光子的狀態由垂直量和水平量共同決定。

但是,量子隱形傳輸所涉及的知識並不是這麼簡單。除了光子能夠同時呈垂直和水平兩種偏振態,光子的狀態由另一個參數決定,即「相位」。故,光子的狀態由垂直量、水平量及相位三者共同決定。可以將光子想象成一個抽象的球體,北極代表垂直偏振態,南極代表後期的水平偏振態。

光子的精確狀態是球體上的一個點,緯度代表在該狀態水平偏振態和垂直偏振態之間的平衡,經度代表相位。因此,例如,赤道上的每一個點代表光子的一個狀態,在該狀態下垂直偏振態與水平偏振態達到平衡,但是,該狀態的相位卻是不同的,這時的相位能夠通過某些更為複雜的測量方法獲得。

為何不能直接從該「抽象球體」上直接讀取該點(光子)的狀態?

我們不能夠直接從該「抽象球體」上直接讀取該點(光子)的狀態,因為量子粒子的測量結果僅能夠提供有限的信息。就一個處於未知狀態的光子而言,我們不能問球體上該狀態的「坐標」是什麼。相反,必須採用一種測量方法才能確定該狀態的坐標。一個尤為重要的問題是:這個光子的極化方式是什麼,垂直式或水平式?運用這種測量方法將獲取一種結果,或者能夠獲取另一種結果,但是獲取另一種結果的概率是由光子所處狀態的垂直和水平偏振態共同決定的。不過,運用這種測量方法不能得出該狀態的相位。測量光子的狀態將導致原有狀態發生改變,光子的狀態將偏向一個極,完全呈水平偏振態或垂直偏振態。根據量子理論,打亂光子原有的狀態是不可避免的。

 

運用「布洛赫球」上的一個點的「坐標」描述單個光子的狀態。該點的緯度(角θ)決定水平極化和垂直極化兩者間的平衡狀態。經度(角ψ)沒有對應的經典類比量,但是會產生許多不可思議的量子影響。

倘若不能夠精確地測量光子的狀態,有將如何實現量子隱形傳輸?

要實現量子隱形傳輸需要更多的光子,這又體現了量子力學不可思議的一面。兩個光子可以用一種微妙的聯繫連接在一起,我們稱之為「糾纏度量」。當兩個光子「糾纏」在一起時,每一個光子的狀態是完全不確定的,但是,兩個光子的狀態是緊密聯繫在一起的。因而,在我們的抽象球體上,每一個光子所處的位置依然是完全不確定——可以毫不誇張地講,一個光子在不同的狀態將指向任意一個方向。儘管存在這種不確定性,兩個光子所處的狀態能夠緊密聯繫在一起,因而其量子態是完全相同的。也就是說,如果我們測量一個光子所處的狀態,最終將導致其原始量子態發生變化,根據上述分析,我們會知道,不論兩個光子相距多遠,第二個光子的量子態將立即隨第一個光子的量子態同步變化。對於量子隱形傳輸來講,這種類型的光子對極為重要。

下面我們來介紹量子態緊密相聯的光子對是如何實現量子隱形傳輸的。假定有兩個人,分別命名為Alice和Bob,另外還有第三個人Charlie處於Alice與Bob之間。Alice準備傳輸一個光子,即她把這個光子定位於抽象球體的一個點上,通過光學纖維將光子傳送給Charlie。與此同時,Charlie準備好一對相互「糾纏」的光子。他保留其中一個光子,將另一個光子傳送給Bob。

現在我們來看一下兩個相互「糾纏」的光子是如何實現量子隱形傳輸的。當Charlie接收到Alice的光子,他可以收下這個光子,並在自己保留的光子和來自Alice的光子之間構建一種特殊的「聯合」測量方法。由於量子測量將改變光子的原始狀態,Charlie的測量實質上將強制性地把這兩個光子置於一種相互「糾纏」的狀態。(Charlie的測量實質上提出這樣一個問題:這兩個光子是處於一個特殊的相互「糾纏」的狀態,還是處於一個互補的狀態?)

一旦Charlie用這種「糾纏度量」來測量兩個光子的狀態——來自Alice的光子與他從原始「糾纏」光子對中保留的光子,一件令人吃驚的事情將要發生了。由Charlie傳送給Bob的光子立即還原Alice原來擁有的光子的量子態。也就是說,Alice的光子在球體上的坐標已經被隱形傳輸給Bob的光子,即使Bob離Charlie的距離有幾公里遠。

但是為什麼會出現這種現象?

實驗結果在很大程度上依賴於「糾纏度量」內在的聯繫。此外,為了弄清楚:為什麼Alice光子的量子態最終遷移到Bob光子上,我們最好還是回過頭來,好好思考這個數學問題。一旦我們熟悉這種測量方法,任意一個學習過高中代數的人都會做這種計算。

難道物理學家的工作真的這麼簡單嗎?

與上述講到的數學算法唯一不同的是,物理學家在實驗中要保證兩個光子的基本狀態所到達的時間稍微不同,而不是極化狀態不同。實驗的難點在於:要確保傳送給Bob的兩個光子到達的時間大致相同,而且顏色和極化狀態都要相同,否則,實驗將不能成功進行。要在如此遠的空間內實現隱形傳輸,這些將是技術層面的挑戰。

那麼量子隱形傳輸將會帶來什麼裨益?

即使上述分析有些抽象,量子隱形傳輸可以用於建立量子互聯網。量子互聯網將會與我們現在的互聯網一樣,不過,能夠允許用戶傳輸量子態,及量子態所包含的信息,不用傳輸經典信息,傳輸所耗費的時間為0秒到1秒之間。

目前,物理學家和工程師已經構建出了不太成熟的量子互聯網,能夠運用光學纖維傳送安全信息。這些技術是通過運用單個光子分佈數值鍵加密或解密經過編碼的信息。該技術的實現主要在於病毒代碼不能在不干擾光子,暴露自己的情況下,測量這些光子的量子態。但是,目前,這類網絡不全是以量子力學為理論支撐,因為在網絡的每一個結點出都需要對信息進行解碼,編碼,使得這些結點容易影響黑客。

運用量子隱形傳輸技術,物理學家與工程師可能會在一個網絡中相距較遠的結點間建立一種「糾纏」聯繫。原則上,這將導致用戶在這些結點處忽略一些經過編碼的信息,使得這些信息不易被破解。如果物理學家能夠成功地研發出一種通用的量子計算機——使這種計算機能夠運用量子比特進行計算,計算效率由於傳統計算機,這種類型的量子網絡將運用從遠程終端加載計算機的初始設置。

未來將會發生什麼?

沒有人知道?不過,量子互聯網將有可能比通用量子計算機更早地出現在我們的生活中。

本文由雷鋒網獨家編譯,未經允許拒絕轉載!



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