量子隱形傳態領域的新進展層出不窮，頻率也越來越高。今天，一支歐洲物理學家團隊將這一領域的標準提升到了前所未有的高度。他們正式宣布，在加那利群島湍急的海洋大氣中實現了近90英里的量子隱形傳態。如今，物理學家們或許已經準備好迎接迄今為止最大的挑戰——嘗試將粒子隱形傳態到太空。但為什麼要這樣做呢？
量子隱形傳態雖然複雜得如同天空是藍色的一樣，但它可能是一種實用且安全的傳輸訊息的方式。可惜的是，它不能傳輸人——這可不是《星際爭霸戰》。但在2012年，以無法破解、完全加密的形式傳輸數據，或許比以往任何時候都更接近現實。
週四， 《自然》雜誌在線發表了量子力學奇才安東·塞林格及其維也納量子光學與量子資訊研究所同事的一篇論文。該團隊實現了光子在加那利群島的拉帕爾馬島和特內裡費島之間89英里的傳送。上個月，同一期刊也發表了中國團隊最新的光子傳送紀錄，徹底打破了他們自己先前的紀錄，實現了60英里的光子傳送。這兩個團隊都在五月相隔數日內先後報告了這些成果。
但這項破紀錄的成就掩蓋了事情的複雜性。畢竟，嚴格來說，粒子實際上並沒有傳播那麼遠的距離。
一些光子確實在物理上跨越了兩個地點之間的距離，但它們僅僅被用作一種準備工具，用來構建物理學家所謂的“糾纏資源”，法國帕萊索光學研究所的菲利普·格蘭傑解釋道。然後，描述待傳送光子的訊息——特別是它們的偏振以及其他特徵——被轉移。傳送後的粒子先存在於一個地方，然後又出現在另一個地方。
這是可能的，因為在量子隱形傳態實驗中，光子之間存在著一種密不可分的聯繫，這種聯繫如此緊密，以至於無論它們相距多遠，發生在一個粒子上的任何事都會發生在另一個粒子上。這就是愛因斯坦所說的「幽靈般的超距作用」。讓它們糾纏在一起本身就是一個挑戰；稍後會詳細討論。格蘭吉爾說，然後進行量子隱形傳態則依賴於創建一個其中一個粒子的遠端副本。你可以把它想像成傳真，但原件會被銷毀——而副本會在收到的瞬間被銷毀。你必須以某種方式傳遞訊息，而量子糾纏使這一切成為可能。
你選擇的糾纏方法取決於你想傳送的粒子類型。例如，如果你想傳送帶電原子，你會使用糾纏離子。對於光子，你會糾纏偏振光子。或者，它也可能是一種量子化的光子態，Noriyuki Lee 和他的同事去年就實現了這一點。後一種情況極為複雜，你需要傳送一小包同時處於兩種量子態的光子。 （這被稱為量子疊加，薛定諤的貓的例子最能說明這一點——一旦被放入一個理論上的盒子裡，它同時處於既死又活的狀態，直到你打開盒子檢查它，它才會變成其中一種狀態。）無論目標是什麼，你首先都必須糾纏一些粒子，使它們的命運交織在一起，這樣無論它們發生什麼，最終的結果都相同。
這種糾纏可以透過多種方式發生，隨著每項新研究的開展，其細節和複雜性都在增加。但更重要的是，糾纏的光子絕對不能受到干擾，否則在瞬間移動完成之前，它們的糾纏狀態就會被打破。當瞬間移動跨越數十甚至數百英里時，這一點就變得非常難以做到——雨水、雲層、沙塵甚至風都會幹擾光的傳輸。
「現實生活中的長途環境提供了許多
「目前的隱形傳態實驗面臨許多挑戰。其中最顯著的挑戰是，在使用標準技術時，需要應對極低的信噪比，」Zeilinger及其同事寫道。
「對於普通物體而言，糾纏資源的複雜性會變得難以想像且無法控制，並會瞬間被摧毀。」在加那利群島的實驗中，澤林格及其同事使用了兩條光鏈路，一條是經典光鏈路，一條是量子光鏈路，連接拉帕爾馬島和特內裡費島。他們希望在兩個地點之間實現光子偏振的瞬移，這兩個地點通常在資訊傳輸實驗中分別以字母順序排列的名稱「愛麗絲」和「鮑伯」來指涉。
經典鏈路允許發送兩個光子，一個給Alice，一個給Bob，從而創建糾纏資源。簡單來說，光子由藍寶石雷射產生，並透過光纖傳輸到A和B。量子鏈路允許Alice和Bob共享這些光子的偏振訊息，它們被稱為光子2和光子3（光子1稍後會提到）。 Alice擁有光子2，Bob擁有光子3－這就是「糾纏資源」。然後，第三方「Charlie」放入光子1。這個新光子的偏振對於Alice和Bob來說都是未知的。接下來，Alice必須進行所謂的貝爾態測量，其結果將決定每個光子的命運。
「測量結果會破壞初始系統。這次測量得到的是一個數值結果，」格蘭傑說。 “然後你把這個結果發送到另一端，在那裡重建你的新系統。”
愛麗絲對光子1的測量結果決定了鮑伯的光子將如何變換。愛麗絲使用經典的光子中繼通道將她的測量結果發送給鮑伯。鮑伯收到訊息後，可以根據愛麗絲對光子1的測量結果進行光子變換，然後－－瞧！鮑伯得到了光子3，但它現在與新輸入的光子1處於相同的狀態。這是一個完美的副本。
這種測量訊息轉發方式稱為主動前饋，也是Lee等人去年在光包薛丁格貓實驗中所使用的技術。 Grangier表示，先前從未有人在如此大規模的實驗中實現過這項技術。加那利群島的研究團隊也取得了新的突破，他們同步了Alice和Bob所在位置的時鐘，從而提高了測量精度。
格蘭吉爾說：“它的獨創之處在於所有功能的結合，包括超遠距離前饋和高品質的傳輸。”
所有這些量子混亂的意義何在？格蘭吉爾解釋說，是為了安全通訊。將光子以特定的、可測量的狀態進行量子傳送，只有經過適當的變換測量才能接收到——這就是良好的安全性。證明這種傳送方式能夠高保真地跨越海洋也是一項了不起的成就。澤林格和他的同事表示，這項研究有望應用於未來的地面到衛星量子中繼，用於傳輸加密資料。
研究團隊表示，此次實現的通訊距離實際上比連接地球和衛星所需的距離更難。 「我們的實驗是邁向未來太空量子網路的關鍵一步，而太空量子網路需要實現天地量子通信，」他們寫道。 “這兩項實驗中採用的技術無疑已經達到了衛星通信和遠距離地面通信所需的成熟度。”
唯一的困難在於，這種方法只能在控制非常嚴格的量子系統中奏效。例如，量子隱形傳態可以作為量子電腦內部的「連接」元件，但它對物理物體無效。
格蘭吉爾說，要把一個人傳送過去，就必須創造一個合適的——但不容易想像的——糾纏資源，也就是第二個「人」。然後，你必須摧毀被傳送生物原本的自我。
「在嚴格控制的量子電腦中，傳送光子和離子是完全可能的，也許可以傳送很多光子和離子。但除此之外，由於資源的複雜性和其易受退相干的影響，傳送就完全不可能了。」他說。
“對於普通的宏觀物體而言，糾纏資源的複雜性變得難以置信且難以控制，並且會因退相干而瞬間被摧毀。”
