量子隱形傳態(tài)(下):科幻與現實(shí)的結合
發(fā)布時(shí)間:2024-06-26
出品:科普中國
作者:欒春陽(yáng)(清華大學(xué)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(tài)方案,它是一種利用量子比特間的量子糾纏效應,來(lái)將量子比特的量子態(tài)傳輸到遙遠的地方,而不用傳送量子比特本身的全新技術(shù)。

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(shí)傳送物質(zhì)的“任意門(mén)”。這是因為,雖然發(fā)送方可以通過(guò)量子糾纏來(lái)實(shí)現量子態(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。

量子傳輸的概念圖

(圖片來(lái)源:veer圖庫)

因此,量子隱形傳態(tài)方案并不能傳送實(shí)物的本身,也并不能實(shí)現超光速的信息傳輸。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(guò)程中,容易被不法分子竊聽(tīng)的安全問(wèn)題。

實(shí)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的核心功能單元。那么,既然該方案這么具有應用前景,科學(xué)家們目前已經(jīng)取得了哪些研究突破和具體應用了呢?

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量子隱形傳態(tài)的早期發(fā)展

其實(shí)早在1993年,物理學(xué)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(tài)的微觀(guān)粒子對,來(lái)實(shí)現單個(gè)微觀(guān)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·本內特等人最早提出的量子隱形傳態(tài)

(圖片來(lái)源:Physical Review Letters)

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

直到1997年,來(lái)自?shī)W地利的塞林格(Anton Zeilinger)研究團隊在實(shí)驗上取得突破性進(jìn)展,他們將利用一對處于量子糾纏狀態(tài)的光子對進(jìn)行分發(fā),從而實(shí)驗單個(gè)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(shí)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(shí)現的量子隱形傳態(tài)

(圖片來(lái)源:Nature)

然而,量子隱形傳態(tài)方案只能傳輸單個(gè)微觀(guān)粒子少量的量子態(tài)信息,并不能有效傳輸微觀(guān)粒子的全部量子態(tài)信息。例如,對于一個(gè)具有二維量子態(tài)信息的微觀(guān)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的規模限制,來(lái)構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先分發(fā)處于糾纏態(tài)的粒子對,才可以實(shí)現量子態(tài)信息的遠距離傳輸。因此,只有提高量子糾纏分發(fā)過(guò)程中的有效距離,才能真正實(shí)現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(zhù)更寬的信道和更遠的傳輸距離快速發(fā)展,已經(jīng)走出實(shí)驗室并且取得了重要的實(shí)際應用。

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量子隱形傳態(tài)的目標之一——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(guān)粒子的量子態(tài)信息實(shí)現任意無(wú)限遠距離的傳輸。然而在實(shí)驗上,科學(xué)家們仍然需要一步一步地提高提高量子糾纏分發(fā)過(guò)程中的有效距離,才能實(shí)現遠距離的量子隱形傳態(tài)。

直到2004年,來(lái)自?shī)W地利的塞林格(Anton Zeilinger)研究團隊利用一根長(cháng)度約為800米,鋪設在多瑙河底的光纖來(lái)進(jìn)行糾纏光子對的分發(fā),才實(shí)現了光子量子態(tài)的遠距離傳輸。

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

(圖片來(lái)源:Nature)

在2009年,來(lái)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(lái)之間,成功實(shí)現了長(cháng)達16公里的量子隱形傳態(tài),并且打破了當時(shí)世界最遠距離的紀錄。這次長(cháng)距離量子態(tài)傳輸實(shí)驗的成功,也同時(shí)驗證了量子隱形傳態(tài)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(wǎng)絡(luò )提供了有力的技術(shù)支撐。

2009年,潘建偉研究團隊實(shí)現了長(cháng)達16公里的量子隱形傳態(tài)

(圖片來(lái)源:Nature Photonics)

隨后,在2012年,來(lái)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(shí)驗上實(shí)現了百公里量級的量子態(tài)隱形傳態(tài),從而進(jìn)一步刷新了當時(shí)世界上最長(cháng)的量子隱形傳態(tài)紀錄。

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

(圖片來(lái)源:Nature)

受限于光纖傳輸過(guò)程中的損耗,科學(xué)家們不得不將糾纏光子對的分發(fā)過(guò)程,從地面的光纖轉移到天上的衛星,從而實(shí)現千公里量級超長(cháng)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多家科研院校合作,利用“墨子號”量子科學(xué)實(shí)驗衛星,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(shí)現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(shí)現了1400公里的天地間的量子隱形傳態(tài)

(圖片來(lái)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(jìn)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,這標志著(zhù)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,中國研究團隊構建出天地一體化的量子信息傳輸網(wǎng)的雛形

(圖片來(lái)源:Nature)

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量子隱形傳態(tài)的目標之二——更高的維度

其實(shí),真實(shí)的微觀(guān)粒子的量子態(tài)信息十分豐富和復雜。這是因為,微觀(guān)粒子往往包含多個(gè)自由度,并且每個(gè)自由度又包含多個(gè)維度的量子態(tài)信息。

因此,要想真正實(shí)現微觀(guān)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(jìn)一步拓展到更高的維度,從而突破單次傳輸過(guò)程的信息規模限制。

在早期的研究階段,科學(xué)家們通常采用光子的偏振態(tài),作為需要傳輸的量子態(tài)信息進(jìn)行量子隱形傳態(tài)。實(shí)際上,光子還存在其他的量子態(tài)信息(如軌道角動(dòng)量、空間模式等),因此,科學(xué)家們要想實(shí)現光子的全部量子態(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(shí)現了單個(gè)光子的多自由度的量子隱形傳態(tài)。這項研究結果表明,單個(gè)微觀(guān)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(jìn)行有效傳輸。

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

(圖片來(lái)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(shí)現了具有高達12個(gè)維度的量子體系的隱形傳態(tài)。這標志著(zhù)科學(xué)家們首次在理論和實(shí)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(shí)的技術(shù)基礎。

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

(圖片來(lái)源:Physical Review Letters)

此外,也有來(lái)自中國的其他研究團隊隨后也取得突破性的進(jìn)展。

就在2020年,來(lái)自中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的郭光燦研究團隊,進(jìn)一步提高了量子隱形傳態(tài)的傳輸維度,實(shí)現了當時(shí)世界上保真度最高的具有32個(gè)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(shí)現了具有32個(gè)維度的量子隱形傳態(tài)

(圖片來(lái)源:Physical Review Letters)

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結語(yǔ)

我們不難發(fā)現,經(jīng)過(guò)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(shí)現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(lái)量子世界的概念圖

(圖片來(lái)源:veer圖庫)

隨著(zhù)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(jué)中走向通往未來(lái)量子世界的奇妙旅程。相信在不久的將來(lái),我們能夠逐步將最初的科幻夢(mèng)想變?yōu)楝F實(shí),從而一起迎接無(wú)限奇妙的未來(lái)世界。

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參考文獻

[1] Bennett C H, Brassard G, Crépeau C, et al. Teleporting an unknown quantum state via dual classical and Einstein-Podolsky-Rosen channels[J]. Physical review letters, 1993, 70(13): 1895.

[2] Bouwmeester D, Pan J W, Mattle K, et al. Experimental quantum teleportation[J]. Nature, 1997, 390(6660): 575-579.

[3] Ursin R, Jennewein T, Aspelmeyer M, et al. Quantum teleportation across the Danube[J]. Nature, 2004, 430(7002): 849-849.

[4] ** X M, Ren J G, Yang B, et al. Experimental free-space quantum teleportation[J]. Nature photonics, 2010, 4(6): 376-381.

[5] Ma X S, Herbst T, Scheidl T, et al. Quantum teleportation over 143 kilometres using active feed-forward[J]. Nature, 2012, 489(7415): 269-273.

[6] Yin J, Ren J G, Lu H, et al. Quantum teleportation and entanglement distribution over 100-kilometre free-space channels[J]. Nature, 2012, 488(7410): 185-188.

[7] Ren J G, Xu P, Yong H L, et al. Ground-to-satellite quantum teleportation[J]. Nature, 2017, 549(7670): 70-73.

[8] Chen Y A, Zhang Q, Chen T Y, et al. An integrated space-to-ground quantum communication network over 4,600 kilometres[J]. Nature, 2021, 589(7841): 214-219.

[9] Wang X L, Cai X D, Su Z E, et al. Quantum teleportation of multiple degrees of freedom of a single photon[J]. Nature, 2015, 518(7540): 516-519.

[10] Luo Y H, Zhong H S, Erhard M, et al. Quantum teleportation in high dimensions[J]. Physical review letters, 2019, 123(7): 070505.

[11] Hu X M, Zhang C, Liu B H, et al. Experimental high-dimensional quantum teleportation[J]. Physical Review Letters, 2020, 125(23): 230501.


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