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

量子傳輸?shù)母拍顖D

（圖片來源：veer圖庫）

因此，量子隱形傳態(tài)方案并不能傳送實物的本身，也并不能實現(xiàn)超光速的信息傳輸。該方案的核心優(yōu)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(tài)作為一種絕對安全的信息傳輸方案，已經(jīng)成為遠距離量子信息傳輸?shù)暮诵墓δ軉卧Ｄ敲?，既然該方案這么具有應(yīng)用前景，科學(xué)家們目前已經(jīng)取得了哪些研究突破和具體應(yīng)用了呢？

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量子隱形傳態(tài)的早期發(fā)展

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

1993年，查爾斯·本內(nèi)特等人最早提出的量子隱形傳態(tài)

（圖片來源：Physical Review Letters）

雖然當(dāng)時的科學(xué)家們一直致力于量子隱形傳態(tài)方案的研究。但是受限于當(dāng)時的實驗技術(shù)條件，科學(xué)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(tài)的光子對進行分發(fā)，從而實驗單個光子的二維量子態(tài)（即單光子不同的偏振態(tài)）的信息傳遞，從而首次在實驗上驗證了量子隱形傳態(tài)方案的可行性。

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

（圖片來源：Nature）

然而，量子隱形傳態(tài)方案只能傳輸單個微觀粒子少量的量子態(tài)信息，并不能有效傳輸微觀粒子的全部量子態(tài)信息。例如，對于一個具有二維量子態(tài)信息的微觀粒子而言，其只能處于0態(tài)或者1態(tài)。因此，科學(xué)家們希望突破量子隱形傳態(tài)方案中單次信息傳輸?shù)囊?guī)模限制，來構(gòu)建出更高維度的量子信息通道。

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

幸運的是，得益于科學(xué)家和工程技術(shù)人員的不懈努力，量子隱形傳態(tài)方案正在朝著更寬的信道和更遠的傳輸距離快速發(fā)展，已經(jīng)走出實驗室并且取得了重要的實際應(yīng)用。

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量子隱形傳態(tài)的目標(biāo)之一——更遠的距離

雖然在理論上，量子隱形傳態(tài)方案可以將微觀粒子的量子態(tài)信息實現(xiàn)任意無限遠距離的傳輸。然而在實驗上，科學(xué)家們?nèi)匀恍枰徊揭徊降靥岣咛岣吡孔蛹m纏分發(fā)過程中的有效距離，才能實現(xiàn)遠距離的量子隱形傳態(tài)。

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(shè)在多瑙河底的光纖來進行糾纏光子對的分發(fā)，才實現(xiàn)了光子量子態(tài)的遠距離傳輸。

2004年，塞林格研究團隊實現(xiàn)了800米距離的量子隱形傳態(tài)

（圖片來源：Nature）

在2009年，來自中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的潘建偉研究團隊與清華大學(xué)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(xiàn)了長達16公里的量子隱形傳態(tài)，并且打破了當(dāng)時世界最遠距離的紀(jì)錄。這次長距離量子態(tài)傳輸實驗的成功，也同時驗證了量子隱形傳態(tài)穿越地表大氣層的可行性，為后續(xù)搭建基于衛(wèi)星中繼的全球量子信息網(wǎng)絡(luò)提供了有力的技術(shù)支撐。

2009年，潘建偉研究團隊實現(xiàn)了長達16公里的量子隱形傳態(tài)

（圖片來源：Nature Photonics）

隨后，在2012年，來自中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)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(xiàn)了百公里量級的量子態(tài)隱形傳態(tài)，從而進一步刷新了當(dāng)時世界上最長的量子隱形傳態(tài)紀(jì)錄。

2012年，潘建偉研究團隊實現(xiàn)了百公里量級的量子隱形傳態(tài)

（圖片來源：Nature）

受限于光纖傳輸過程中的損耗，科學(xué)家們不得不將糾纏光子對的分發(fā)過程，從地面的光纖轉(zhuǎn)移到天上的衛(wèi)星，從而實現(xiàn)千公里量級超長距離的量子態(tài)隱形傳態(tài)。

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

2017年，潘建偉研究團隊實現(xiàn)了1400公里的天地間的量子隱形傳態(tài)

（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(xué)術(shù)期刊《自然》雜志上，發(fā)表了一篇題為《跨越4600公里的天地一體化量子通信網(wǎng)絡(luò)》的論文，這標(biāo)志著中國研究團隊已經(jīng)在量子通信領(lǐng)域處于國際領(lǐng)先水平，我國也已經(jīng)初步構(gòu)建出天地一體化的量子信息傳輸網(wǎng)的雛形。

2021年，中國研究團隊構(gòu)建出天地一體化的量子信息傳輸網(wǎng)的雛形

（圖片來源：Nature）

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量子隱形傳態(tài)的目標(biāo)之二——更高的維度

其實，真實的微觀粒子的量子態(tài)信息十分豐富和復(fù)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(tài)信息。

因此，要想真正實現(xiàn)微觀粒子的所有量子態(tài)的完整傳輸，就需要將量子隱形傳態(tài)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(guī)模限制。

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

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

2015年，潘建偉研究團隊首次實現(xiàn)了單個光子的多自由度的量子隱形傳態(tài)

（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(xiàn)了具有高達12個維度的量子體系的隱形傳態(tài)。這標(biāo)志著科學(xué)家們首次在理論和實驗上，將量子隱形傳態(tài)方案擴展到任意高的維度，從而為更復(fù)雜的量子態(tài)傳輸以及更高效的量子傳輸網(wǎng)絡(luò)提供了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。

2019年，潘建偉等研究團隊成功實現(xiàn)了具有高維度的量子隱形傳態(tài)

（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(xué)技術(shù)大學(xué)的郭光燦研究團隊，進一步提高了量子隱形傳態(tài)的傳輸維度，實現(xiàn)了當(dāng)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(tài)。

2020年，郭光燦研究團隊成功實現(xiàn)了具有32個維度的量子隱形傳態(tài)

（圖片來源：Physical Review Letters）

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結(jié)語

我們不難發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過30年的發(fā)展，量子隱形傳態(tài)不僅具備了超遠距離傳輸量子態(tài)的能力，而且還可以實現(xiàn)任意高維度的量子態(tài)傳輸，已經(jīng)成為建立遠距離量子傳輸網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵核心技術(shù)。

通往未來量子世界的概念圖

（圖片來源：veer圖庫）

隨著科學(xué)家們對量子隱形傳態(tài)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?yōu)楝F(xiàn)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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