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科普文章

哇,天地之间有个“传送门”!
发布时间:2017-08-10    536   墨子沙龙

“墨子号”卫星于2016年8月16日在酒泉卫星发射中心发射升空,经过四个月的在轨测试,2017年1月18日正式交付开展科学实验。其中,从地面到卫星的量子隐形传态实验是“墨子号”的三大科学任务之一,日前,该实验成果在线发表在国际权威学术期刊《自然》杂志上。


在电影《星际迷航》里,“传送门”的科幻构想是一大亮点——人体或者其他什么物体,在一个地方分解,然后在另一个遥远的地方重新出现,几乎不用什么时间,就实现了空间穿越。如果真的有这样的传送门,那我们岂不是都能轻松玩转“乾坤大挪移”啦?这样的传送门真的存在吗?


答案可能会让你小激动一下了——真的存在。


 图一 《星际迷航》里的传送门

克隆,哦不,是剪切

如果你需要复制的对象可以被经典的信息充分地描述出来,那么在理论上,可以精确地测量这个对象,然后根据测量结果进行完美的重构(复制)。


然而,这世界的物质没有那么简单,对于像单电子、原子或分子这样的微观量子系统,它们的性质被量子波函数所描述,这些量子波函数可以处于叠加态。这就难办了,因为量子力学不可克隆原理禁止对未知量子态进行完美的测量或克隆,你不能在不破坏原有量子态的情况下,再弄出一个复制品来。道理很简单,量子态嘛,你一测量,就塌缩啦。


但是,Bennett等人表示不服。1993年,他们提出了一种量子传输模式来绕过这个障碍,它允许将任意未知量子态从一个发送者(Alice)传输到一个空间遥远的接收器(Bob),而不需要实际传输对象本身。这种传输模式,叫做“量子隐形传态(quantum teleportation)”。


这种模式并不违背量子力学不可克隆原理,因为这个过程里,原来的量子态被破坏了,也就是说,这个过程不是“复制”,而是“剪切”。


 图二 量子隐形传态原理示意图


(取自Dik Bouwmeester等人文章)



这个过程的精妙之处在于纠缠粒子对的使用。发送者Alice和接受者Bob共享一对纠缠光子(粒子2和粒子3),而需要传递的粒子1的状态处于一种未知的叠加态。这种情况下,这三个粒子其实处于一种联合的量子态。如果我们对Alice手里的粒子1和粒子2进行一个联合测量,使粒子1和粒子2塌缩到某个确定的状态之后,粒子3的状态就会确定下来。根据粒子1和粒子2的测量结果不同,粒子3的状态与原始的粒子1状态相差一个变换。这时,只要Alice通过经典通道告诉Bob,手头上两个粒子的测量结果,Bob就知道需要通过一个怎样的操作,将手里的粒子状态变换一下,得到粒子1的原始状态。


可以看到,这个状态中,粒子1的状态已经被毁,所以,并没有违背不可克隆原理,等于我们把这个状态剪切到粒子3这里了;而且ALice必须要通过经典信道告知Bob测量结果,所以,信息的传递也没有超光速。

来,建个“传送门”

量子隐形传态的构想刚刚提出的时候,大家只是听听而已,觉得几乎是科幻。但是,仅仅四年后,奥地利Anton Zeilinger 小组真的在实验上实现了量子隐形传态。他们在光学平台上,实现了对光子极化方向的隐形传态。这篇文章后来入选了《自然》杂志的“百年物理学21篇经典论文”。


这篇文章的作者里,就有现在的中国科大的潘建伟院士。他回国以后,一直努力在中国建立我们自己的“传送门”,潘建伟团队希望,这样的传送门不仅仅存在于实验室里的光学平台,它应该走出实验室,走向自由空间,甚至链接天上地下,为人类的远距离量子通信服务。


2003年,潘建伟团队提出了利用卫星实现远距离量子通信的方案,潘建伟和彭承志等人在国际上首次实验了水平距离13公里(大气层垂直厚度约为5-10公里)的自由空间双向量子纠缠分发,为隐形传态打下了基础。


2010年,该团队在国际上首次实现了基于量子纠缠分发的16公里量子态隐形传输。这是量子隐形传态第一次走出实验室、在自由空间而非光纤里展示可行性。


2012年,潘建伟领导的中科院联合研究团队在青海湖实现了首个97公里的量子隐形传态,不仅将这一纪录拉长到了百公里级别,实验中开发的高频率和高精度的获取、定位和跟踪技术,更是可以直接用于未来基于卫星的量子通信,充分验证了利用卫星实现量子通信的可行性。


2015年,该团队首次实现了单个光子的多个自由度的量子隐形传态。之前的实验只实现了一个自由度的传送,但是单个粒子实际上肯定是需要多个自由度来描述的。就像描述小墨,有身高、体重、年龄等等很多个维度一样。所以,对粒子来说,完整传送这些信息是必要的。此次实验中,科研人员实现了对单个光子自旋角动量和轨道角动量混合量子态的传送,并且证明实验中用到的方法是可以扩展到更多自由度的,这个工作是迈向更复杂量子系统的传送的一步,入选了欧洲物理学会(Institute of Physics)2015年度国际物理学领域的十项重大突破之首。


但是以上这些实验都没有超过百公里级别,主要的原因在于,光子在光纤或大气中难以避免的衰减。要想在更远距离上验证隐形传态,并实现广域的分布式量子计算网络,只能有一种办法——利用卫星平台建立天基链接,连接地球上的两个远程点,因为大部分光子的传播路径都是在真空的太空中,可以大大减少通道损耗。

“墨子号”的量子隐形传态

卫星于2016年8月16日在酒泉卫星发射中心发射升空,经过四个月的在轨测试,2017年1月18日正式交付开展科学实验。地星量子隐形传态作为卫星的三大科学实验任务之一,是国际上首次在空间尺度上开展的量子隐形传态实验。


“墨子号”量子科学实验卫星过境时,与海拔5100 m的西藏阿里地面站建立光链路。地面光源每秒产生8000个量子隐形传态事例,地面向卫星发射纠缠光子,科研人员管这叫做上行链路。


本次实验中一个最大的难点在于克服上行链路中的大气湍流。湍流会引发光束的漂移和扩大,从而增加了移动光束的扩散。为此,科学家们开发了一系列技术,包括超亮的多光子纠缠源、窄散度的发射望远镜、高带宽和高精度的获取、指向和跟踪(APT),来优化上行链路的效率。


实验中,随着卫星在阿里站上空划过,通信距离从500公里到1400公里,实验共采集到911个隐形传态事例,所有6个待传送态的平均保真度达到0.80,以大于99.7%的置信度超越经典极限,明确显示了量子隐形传态的实现。假设在同样长度的光纤中重复这一工作,由于损耗的存在,需要3800亿年才能观测到1个事例。

“传送门”可以用来传什么?

看到这里,小伙伴们要问,那现在天地之间有了隐形传态,可以把我们人体快速传到天上去吗?抱歉,这还太遥远。


首先,量子隐形传态传送的是“态”,而非实物。就算你想传递你这个人所有态的信息,你需要传送的数据量也太过巨大。一个人的原子数量大约在10的27次方到10的28次方的数量级,而每个原子包含的哪怕最基本的粒子又包含波长、动量、自旋和轨道角动量等很多个自由度,更何况实物传送还要求传送组成实物的基本粒子的所有信息,(包含单个粒子的内禀属性和粒子间相互作用的信息)。理论上说,至少同数量级的纠缠粒子才能实现人体的传送。这么大量级的纠缠粒子制备目前看来是不可接受的。何况,传送过去的你还有没有现在的思想和意识?还是不是现在的你,都不知道。


但是,这个天地间的传送门其实有着很大的用处。


墨子号这次发布的两大任务——量子密钥分发和量子隐形传态其实是一个很棒的互补。量子密钥分发实现的是经典信息的安全传输(通过下行链路(从卫星到地面)完成),而量子隐形传态实现的是量子信息的可靠传送(通过上行链路(从地面到卫星)完成)。


这两项工作第一次在空间和地面之间进行双向量子连接,将来,这些技术都会被应用到实际的空间尺度量子通信网络。虽然目前看来,我们接触到的主要是经典信息,但是量子信息离我们并不遥远,电子、光子、原子这类系统信息是无法用经典信息方法描述的,而且,未来的量子计算中间过程会产生很多寄存器量子比特状态,也是处于叠加态的,需要用隐形传态才能传递,如果你直接去测量,就会因为塌缩而丧失量子计算的并行优势。所以,未来的全量子网络,离不开量子隐形传态。


所以,这次在墨子号上首次开展的空间尺度上的量子隐形传态实验,代表了实现量子通信方案的重大进步,为未来空间尺度量子通信网络打下了坚实的基础。